DSP原理及应用

DSPDSP 的应用和发展前景的应用和发展前景 课程名称 课程名称 DSP 原理与应用 任课教师 任课教师 所在学院 所在学院 专业 专业 班级 班级 学生姓名 学生姓名 学号 学号 年年 月月 1 1 引言 引言 DSP 即为数字信号处理器 Digital Signal Processing 是在模拟信号变 换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器 它的工作原理是将现实世 界的模拟信号转换成数字信号 再用数学方法处理此信号 得到相应的结果 自从数字信号处理器 Digital Signal Processor 问世以来 由于它具有高速 灵活 可编程 低功耗和便于接口等特点 已在图形 图像处理 语音 语言 处理 通用信号处理 测量分析 通信等领域发挥越来越重要的作用 随着成 本的降低 控制界已对此产生浓厚兴趣 已在不少场合得到成功应用 DSP 数 字信号处理器 DSP 芯片采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈 佛结构 较传统处理器的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度 其处理速度 比最快的 CPU 快 10 50 倍 在当今数字化时代背景下 DSP 已成为通信 计算 机 消费类电子产品等领域的基础器件 被誉为信息社会革命的 旗手 2 2 DSPDSP 的发展历程的发展历程 DSP 发展历程大致分为四个阶段 第一阶段是 70 年代理论先行 第二阶段 是 80 年代产品普及 第三阶段是 90 年代突飞猛进 第四阶段是 21 世纪再创 辉煌 在 DSP 出现之前数字信号处理只能依靠 MPU 微处理器 来完成 但 MPU 较低的处理速度无法满足高速实时的要求 因此 70 年代有人提出了 DSP 的理 论和算法基础 而 DSP 仅仅停留在教科书上 即便是研制出来的 DSP 系统也是 由分立组件组成的 其应用领域仅局限于军事 航空航大部门 随着大规模集 成电路技术的发展 1982 年世界上诞生了首枚 DSP 芯片 这种 DSP 器件采用微 米工艺 NMOS 技术制作 虽功耗和尺寸稍大 但运算速度却比 MPU 快了几十倍 尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用 DSP 芯片的问世标志着 DSP 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步 随着 CMOS 技术的进步与发展 第 二代基于 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生 其存储容量和运算速度成倍提高 成 为语音处理 图像硬件处理技术的基础 80 年代后期 第三代 DSP 芯片问世 运算速度进一步提高 其应用于范围逐步扩大到通信 计算机领域 90 年代 DSP 发展最快 相继出现了第四代和第五代 DSP 器件 现在的 DSP 属于第五代 产品 它与第四代相比 系统集成度更高 将 DSP 芯核及外围组件综合集成在 单一芯片 上 这种集成度极高的 DSP 芯片不仅在通信 计算机领域大显身手 而且逐渐渗透到人们日常消费领域 前景十分可观 3 3 DSPDSP 在各领域的应用在各领域的应用 3 1 DSP 技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用计算机进入电力系统 调度后 引入了 EMS DMS SCADA 的概念 而电力系统数据采集和测量是 SCADA 的基础部分 传统的模拟量的采集和获得 通过变送器将一次 PT 和 CT 的电气 量变为直流量 在进行 A D 转换送给计算机 应用了交流采用技术以后 经过 二次 PT CT 的变换后 直接对每周波的多点采样值采用 DSP 处理算法进行计算 得到电压和电流的有效值和相角 免去了变送器环节 这不仅使得分布布置的 分布式 RTU 很快地发展起来 而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手 段 3 2 DSP 在变电站自动化的应用变电站自动化元件较多 模拟量 开关量 比较多而且比较分散 要求的实时性也较高 DSP 能快速采集 精确处理各种 信息 尤其在并行处理上可实现多机多任务操作 实用十分灵活 方便 片内 诸多的接口为通讯及人机接口提供了容易的扩展 由于接口的多样化 使励磁 调速器及继电保护的挂网监控更容易 由于 DSP 集成度高 硬件设计方便 使 设计起来更容易 而且增加了产品的可靠性 DSP 在冗余设计上更容易 为水 电站实现无人值班 少人值守的发展方向 提供了可靠的新技术 3 3 DSP 在通信领域的应用近年来 随着通信技术的飞速发展 DSP 已经成 为信号与信息处理领域里一门十分重要的新兴学科 它代表着当今无线系统的 主流发展方向 现在 通信领域中许多产品都与 DSP 密切联系 例如 Modem 数据加密 扩频通信 可视电话等 而寻找 DSP 芯片来实现算法最开始的目标 是在可以接受的时间内对算法做仿真 随后是将波形存储起来 然后再加以处 理 图 1 所示 给出了一个典型的 DSP 应用系统 数字蜂窝电话是 DSP 最为重 要的应用领域 因 DSP 具有强大的计算能力 使得移动通信的蜂窝电话重新崛 起 并创造了一批诸如 GSM CDMA 等全数字蜂窝电话网 3 由于采用 DSP 技 术 蜂窝电话的更新换代变得更为容易 只需在统一的硬件平台基础上 通过 软件的不断升级生产各式各样的新款手机 输入信号首先进行带限滤波和抽样 然后进行模 数转换 将模拟信号转换成数字比特流 根据香农抽样定理 为保 持信息的不丢失 抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的两倍 3 4 DSP 在软件无线电的应用软件无线电是一种新的无线通信技术 是基 于同一硬件平台上 安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台 他可进一步扩展至有线领域 随着 DSP 技术的发展和应用的成熟 特别是低功 耗 DSP 芯片的出现 使软件无线电的应用研究成为热点 软件无线电具有系统 结构通用 功能实现软件化和互操作性好等一系列优点 其体系结构有电源 天线 多带射频转换器和 A D A 变换器与 DSP 组成 信号的数字化是实现软件 无线电的先决条件 关键步骤是以可编程能力强的 DSP 来代替专用的数字电路 使系统硬件结构与功能相对独立 这样就可基于一个相对通用的硬件平台 通 过软件实现不同的通信功能 并可对工作频率 系统频宽 调制方式和新品编 码等进行编程控制系统的灵活性大大加强了 3 5 DSP 在机器人控制中的应用目前 由于人工智能 计算机科学 传感 器技术及其它相关学科的长足进步 使得机器人的研究在高水平上进行 同时 也对机器人控制系统的性能提出了更高的要求 随着机器人控制系统对实时性 数据量和计算要求的不断提高 采用高速 高性能的 DSP 将成为主要的控制方 式 将 DSP 应用于机器人的控制系统 充分利用 DSP 实时运算速度快的特点 这是当前发展的趋势 尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高 并易于构成 并行处理网络 可大大提高控系统的性能 4 4 DSPDSP 技术的发展趋势技术的发展趋势 可以预见未来 DSP 技术将向以下几方面发展 1 努力向系统级集成 DSP 迈进 将几个 DSP 芯核 MPU 芯核 专用处理单元 外围电路单元 存储单元统统集成在一个芯片上 成为 DSP 系统级集成电路 2 DSP 的内核结构进一步改善 多通道结构和单指令多重数据 SIMD 超长 指令字结构 VLIM 超标量结构 超流水结构 多处理 多线程及可并行扩展 的超级哈佛结构 SHARC 在新的高性能处理器中将占据主导地位 3 可编程 DSP 是主导产品生产厂商可在同一个 DSP 平台上开发出各种不同型 号的系列产品 以满足不同用户的需求 同时 可编程 DSP 也为广大用户提供 了易于升级的良好途径 人们已经发现 许多微控制器能做的事情 使用可编 程 DSP 将做得更好更便宜 4 追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸 5 定点 DSP 是主流 虽然浮点 DSP 的运算精度更高 动态范围更大 但定点 DSP 器件的成本较低 对存储器的要求也较低 而且耗电较省 因此 定点运 算的可编程 DSP 器件仍是市场上的主流产品 据统计 目前销售的 DSP 器件中 的 80 以上属于 16 位定点可编程 DSP 器件 预计今后的比重将逐渐增大 6 与可编程器件结合 与常规 DSP 器件相比 FPGA 器件配合传统的 DSP 器件 可以处理更多信道 可在基站中用来实现高速实时处理功能 满足无线通信 多媒体等领域多功能和高性能的需要 7 DSP 嵌入式系统在许多嵌入式应用领域 既需要在数据处理方面具有独特 优势的 DSP 也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器 MCU 因此 将 DSP 与 MCU 融合在一起的双核平台 将成为 DSP 技术发展的一种新潮流 TI 最新发 布的 OMAP 平台是这方面的典型例子 目前 国外众多厂商涉足我国 DSP 产品市 场 我国的 DSP 应用已有了相当的基础 有 1O 多家集成电路设计企业从事数字 信号处理系统 DSP 及相关产品的开发与应用 从应用范围来说 数字信号处理 器市场前景看好 随着 DSP 芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化 高性能化 低功耗化方向发展 DSP 日益进入人们的生活 在未来相当长的一 段时间 我国 DSP 市场将蓬勃发展 今后几年市场销售额仍将保持 40 以上的 增长率 具有良好的市场前景 数字信号处理器以其功能强 速度快 接口简 单 稳定性好 编程和开发方便 精度高的特点成为信号处理系统开发的主流 器件 在通信 语言 图像 生物医学 工业控制 仪器仪表等许多领域得到 了日益广泛的应用 随着数字信号处理新技术及微电子技术的不断发展 DSP 的处理速度将会不断提高 应用范围将更加广泛 必将为数字化事业的发展奠 定坚实的基础 DSPDSP 在移动通信中的适用性在移动通信中的适用性 DSP 技术是随着时代的进步迅速发展的 目前 DSP 领域出现了片内集成多 个 处理器的新型 DSP 芯片 其结构是将一个通用的 CPU 核与一个或多个专用的 DSP 并行单元集成在同一芯片上 这种集成度的提高极大地提高了并行算法的 效率 从而可以有效地利用信号处理带宽 达到以往需要多处理手段或实现专 门功能的 ASIC 芯片才能实现的各项功能 这是 DSP 技术向软件无线电迈进的关 键的一步 在实际应用中 目前使用软件无线电技术的基站系统中已经采用多 处理器的硬件结构 目前先进的可编程 DSP 大约可提供数百到上千 MOPS 的运算 速度 实时软件无线电系统中基带以下部分完全可由 DSP 实现 因此 以 DSP 为核心的软件无线电系统对 3G 通信具有极大的适用性 典型的以 DSP 为核心的 软件无线电多信道的硬件平台作为移动通信终端将体现出以下一些明显的优越 性 1 方便的可量测性 无论是两个信道的基站还是上百个信道的基站都可以 建立在相同基本设置的硬件上 这样可以简化设计过程 降低生产费用 减小 逻辑复杂度和领域维护的需要 2 单个信道的低耗费 由于利用了新一代 DSP 芯片处理多信道的能力 软 件无线电结构与将每个 DSP 芯片专属于每个信道的结构比较 降低了单个信道 的硬件耗费 3 简便的软硬件升级性 当协议变动或是加入一个新特征时 只需要对新 的软件进行远程下载 这样同时也降低了维护和更新的费用 硬件的升级也是 较简单 只需要将额外的插板插入底板中而不需要改变现存的设备 这从很大 程度上降低了升级费用 减少了装载时间和升级时所伴随的风险 4 用于任何无线协议的单一结构 以 DSP 为核心的软件无线电结构支持所 有的主要的协议 该硬件平台上为所有的通信协议提供了统一的平台 而不是 针对一个特殊协议设计专门的平台 这样从很大的程度上降低了开发时间和逻 辑分配的费用 这种硬件平台在第三代移动通信终端设备中的应用是十分广泛 的 包括 蜂窝