DSP的發(fā)展及應(yīng)用

1、-作者xxxx-日期xxxxDSP的發(fā)展及應(yīng)用【精品文檔】 數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片的發(fā)展和應(yīng)用摘要本文概述了數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展歷程，介紹了DSP采用的關(guān)鍵技術(shù)，并詳細(xì)分析了DSP在各領(lǐng)域的應(yīng)用。目錄數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片的發(fā)展與應(yīng)用1一、數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展歷史1（一）第一階段：70年代理論先行1（二）第二階段：80年代產(chǎn)品普及1（三）第三階段：90年代突飛猛進(jìn)2二、DSP芯片的關(guān)鍵技術(shù)2三、DSP的應(yīng)用領(lǐng)域3四、DSP的典型應(yīng)用3（一）DSP在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用3（二）DSP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用5【精品文檔】數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片的發(fā)展與應(yīng)用一、數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)

2、算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。從第一片DSP芯片的出現(xiàn)到現(xiàn)在，伴隨著信息技術(shù)革命的腳步DSP芯片已經(jīng)走過了30年的光輝歲月，在過去的三十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。DSP的發(fā)展大致分為三個(gè)階段：（一）第一階段：70年代理論先行在DSP出現(xiàn)之前，數(shù)字信號(hào)處理只能靠MPU（微處理器）來完成。由于MPU的處理速度較低，無法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理論和算法基礎(chǔ)。但是那時(shí)DSP僅停留在理論上，即使是研制出來的DSP

3、系統(tǒng)也是由分立元件構(gòu)成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航天部門。（二）第二階段：80年代產(chǎn)品普及隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年誕生了世界上第一片DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖然功耗和尺寸稍大，但是運(yùn)算速度比MPU提高了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世是電子信息技術(shù)的一個(gè)里程碑，它標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型向小型化邁進(jìn)了一大步。 到80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于CMOS工藝的第二代DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到了成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代后期，第三代DSP芯片問世

4、，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用于范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。（三）第三階段：90年代突飛猛進(jìn)90年代以來，DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件?，F(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域。二、DSP芯片的關(guān)鍵技術(shù)DSP是一種嵌入式處理器，支持單時(shí)鐘周期的“乘加”運(yùn)算。DSP具有體積小、功耗小、使用方便、實(shí)時(shí)處理迅速、處理數(shù)據(jù)量大、處理精度高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DSP內(nèi)部采用了5種關(guān)鍵技術(shù)：1、采用哈佛結(jié)構(gòu)體系或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)體系。DS

5、P處理器幾乎毫不例外的采用了哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)把程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開，并有各自的地址和數(shù)據(jù)總線，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址和數(shù)據(jù)總線，用獨(dú)立的一組程序總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問。如果程序代碼存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間之間還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，則稱為改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行并行數(shù)據(jù)操作。2、 采用多總線結(jié)構(gòu)。多總線結(jié)構(gòu)可以同時(shí)讀取多組數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)組數(shù)據(jù)，即同一時(shí)鐘周期內(nèi)可移執(zhí)行多個(gè)操作指令。1) 采用流水線操作。由于DSP哈佛結(jié)構(gòu)指令的各個(gè)階段可以重疊進(jìn)行，這樣對(duì)每一條指令似乎都是在一個(gè)周期內(nèi)完成，可以把指令周期減到最小，增加數(shù)據(jù)吞吐量。2) 采用硬件乘法器和高效的MAC指令。DSP芯片都有硬件乘

6、法器，使得乘法運(yùn)算做到一個(gè)周期內(nèi)完成，與之配合的指令為MAC乘法累加指令，它可以可以在單周期內(nèi)取兩個(gè)操作數(shù)相乘，并將結(jié)果加載到累加器。3) 采用獨(dú)立的傳輸總線及其控制器。處理器高速處理速度必須與高速的數(shù)據(jù)訪問和傳輸相配合。而且為不影響CPU及其相關(guān)總線的工作，DSP的DMA單獨(dú)設(shè)置了傳輸總線及其控制器，因此可以獨(dú)立工作。三、DSP的應(yīng)用領(lǐng)域30年來，由于集成電路的發(fā)展，同時(shí)也因巨大的市場(chǎng)需求， DSP得到飛速的發(fā)展，DSP在數(shù)字信號(hào)處理、通信、軍事、自動(dòng)控制、醫(yī)療、圖像視頻處理等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。DSP芯片的成本越來越低，性價(jià)比日益提高，應(yīng)用潛力巨大。DSP芯片的應(yīng)用有：1、 信號(hào)處理如數(shù)

7、字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等；2、 通信如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、可視電話等；3、 語音如語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲(chǔ)等4、 圖形/圖像如二維或三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等5、 軍事如保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等；6、 儀器儀表如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等7、 自動(dòng)控制如引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等；8、 醫(yī)療如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病

8、人監(jiān)護(hù)等9、 家用電器如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等四、DSP的典型應(yīng)用（一）DSP在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用DSP技術(shù)目前主要用于雷達(dá)的信號(hào)處理機(jī)部分，主要完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、動(dòng)目標(biāo)跟蹤、脈沖多普勒處理、恒虛警檢測(cè)等重要內(nèi)容以及旁瓣對(duì)消、旁瓣消隱等抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前主要采用美國(guó)TI公司和ADI公司的系列產(chǎn)品。由于雷達(dá)系統(tǒng)越來越要求在結(jié)構(gòu)上具有可擴(kuò)展和可重構(gòu)的能力。因此，未來會(huì)越來越多采用數(shù)字技術(shù)，DSP的應(yīng)用將越來越廣泛，因此它還是很有發(fā)展前途的。此外，也可以用于相控陣?yán)走_(dá)天線的波束控制、接收機(jī)AGC的控制和實(shí)現(xiàn)、頻率綜合系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)的控制等等。下面重點(diǎn)介紹

9、一下DSP在雷達(dá)信號(hào)處理方面的應(yīng)用： 快速傅里葉變換（FFT）是雷達(dá)信號(hào)處理的重要工具。DSP內(nèi)部的硬件乘法器、地址產(chǎn)生器（反轉(zhuǎn)尋址）和多處理內(nèi)核，保證DSP在相同條件下，完成FFT算法的速度比通用處理器要快2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在雷達(dá)信號(hào)處理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)-頻域轉(zhuǎn)換，回波頻譜分析，頻域數(shù)字脈沖壓縮等。 FIR濾波器是雷達(dá)信號(hào)處理中常用設(shè)計(jì)之一。在動(dòng)目標(biāo)指示（MTI）或者動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）中，采用FIR濾波器可以濾除雜波干擾，提高信雜比，然后通過恒虛警處理（CFAR），完成目標(biāo)的檢測(cè)。在機(jī)載多普勒雷達(dá)中，為了抑制地雜波的干擾，采用了復(fù)雜的自適應(yīng)濾波器組

10、。在陣列信號(hào)處理以及波束形成中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校正及加權(quán)系數(shù)計(jì)算和控制，均需要大量的復(fù)數(shù)運(yùn)算。這些復(fù)數(shù)加權(quán)濾波器、多普勒濾波器組或者矩陣運(yùn)算歸根到底是復(fù)信號(hào)的乘法累加運(yùn)算，均可根據(jù)不同算法的需要，采用DSP進(jìn)行靈活編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)重采樣主要是為了得到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)局部細(xì)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校正或者配準(zhǔn)。例如在SAR圖像處理中，距離徙動(dòng)校正中的多點(diǎn)插值算法，InSAR進(jìn)行圖像配準(zhǔn)之前進(jìn)行8倍像素細(xì)化，均可采用DSP完成一維和二維的插值運(yùn)算。DSP在參數(shù)估計(jì)方面也得到了廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用實(shí)例是SAR成像處理中的最大對(duì)比度算法。最大對(duì)比度算法是一種優(yōu)秀的多普勒調(diào)頻斜率估計(jì)方法，它通過對(duì)方位向數(shù)據(jù)的重復(fù)脈沖壓

11、縮，最后通過計(jì)算對(duì)比度，得到最優(yōu)的普勒調(diào)頻斜率。其中，采用DSP完成大量的FFT、IFFT和復(fù)數(shù)乘法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的參數(shù)估計(jì)。此外，DSP可以利用其存儲(chǔ)器管理和計(jì)算能力，分析雜波強(qiáng)度、面積、雜波的多普勒頻率、起伏分量以及地雜波等，建立雜波圖，完成雷達(dá)回波的統(tǒng)計(jì)分析、信息保存及存儲(chǔ)器控制等任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)CFAR處理。由此可見，DSP在雷達(dá)信號(hào)處理器設(shè)計(jì)中具有很大的靈活性和適用范圍，它不僅增強(qiáng)了信號(hào)處理的速度和能力，大大提高了信號(hào)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而且適合多功能可編程并行處理和陣列處理，滿足高速并行處理的要求。（二）DSP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用DSP技術(shù)在2G時(shí)代就已經(jīng)開始應(yīng)用，最典型的就是以DSP芯

12、片作為蜂窩電話的核心。我們知道，所有第二代（2G）數(shù)字蜂窩電話都是基于雙處理器體系結(jié)構(gòu)的；即包含一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和一個(gè)簡(jiǎn)單指令集計(jì)算機(jī)（RISC）微控制器（MCU）。其中，DSP用來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器和通信協(xié)議棧中物理層協(xié)議的功能；而MCU則用來支持用戶操作界面，并實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧中上層協(xié)議的各項(xiàng)功能。在已有的2G手機(jī)市場(chǎng)中，DSP芯片以TI公司生產(chǎn)的TMS320C54X系列為主，65%的蜂窩電話采用了這類芯片。在不同的多址模式中，DSP芯片可負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同的功能：在時(shí)分多址（TDMA）模式手機(jī)中，DSP芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的調(diào)制解調(diào)，利用編解碼實(shí)現(xiàn)傳輸誤碼糾正并維持通信鏈路的穩(wěn)定性，對(duì)數(shù)據(jù)

13、進(jìn)行加密、解密以保證通信的安全性，對(duì)話音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓縮。在碼分多址（CDMA）模式手機(jī)中，DSP芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)符號(hào)級(jí)功能，如前向糾錯(cuò)、加密或語音壓縮和解壓縮。與此同時(shí)，DSP芯片還可以負(fù)責(zé)控制ASIC硬件；其中，后者負(fù)責(zé)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)及后處理。在早期的2G手機(jī)中，這些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片實(shí)現(xiàn)，其時(shí)鐘工作頻率大約為40MHz。TMS320C54X系列在2G中的優(yōu)勢(shì)是很明顯的。而在手機(jī)中，語音編碼芯片較以前更為復(fù)雜，數(shù)據(jù)速率進(jìn)一步上升，DSP芯片的時(shí)鐘工作頻率也隨之上升到了超過100MHz。 數(shù)字技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，就是可以支持多種數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。然而，由于受到帶寬的

14、制約，2G移動(dòng)電話只能為用戶提供幾種相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。在大多數(shù)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為9.6至14.4千比特每秒（Kbps）。盡管，如此低速率的數(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)可以滿足最基本的數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求，但是為了實(shí)現(xiàn)包括互聯(lián)網(wǎng)接入在內(nèi)的高級(jí)業(yè)務(wù)，就必須提供更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。這就是2G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)向和3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的根本動(dòng)力。同時(shí)，DSP芯片對(duì)于3G移動(dòng)通信具有適用性。DSP技術(shù)是隨著時(shí)代的進(jìn)步迅速發(fā)展的，目前DSP領(lǐng)域出現(xiàn)了片內(nèi)集成多個(gè)處理器的新型DSP芯片，其結(jié)構(gòu)是將一個(gè)通用的CPU核與一個(gè)或多個(gè)專用的DSP并行單元集成在同一芯片上。這種集成度的提高極大地提高了并行算法的效率，從而可以有效地利用信號(hào)處理帶寬，達(dá)到以往需要多處理手段或?qū)崿F(xiàn)專門功能的ASIC芯片才能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。目前先進(jìn)的可編程DSP大約可提供數(shù)百到上千MOPS的運(yùn)算速度。實(shí)時(shí)軟件無線電系統(tǒng)中基帶以下部分完全可由DSP實(shí)現(xiàn)。 因此，以DSP為核心的軟件無線電系統(tǒng)對(duì)3G通信具有極大的適用性，例如：方便的可量測(cè)性、單個(gè)信道的低耗費(fèi)、簡(jiǎn)便的軟硬件升級(jí)性、用于任何無線協(xié)議的單一結(jié)構(gòu)等等?？傊訢SP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，集理數(shù)據(jù)采集、傳輸和高速實(shí)時(shí)處為一體, 能充分體現(xiàn)數(shù)