DSP的发展及应用

1、数字信号处理dsp芯片的发展和应用摘要本文概述了数字信号处理的发展历程，介绍了 dsp采用的关键技术, 并详细分析了 dsp在各领域的应用。目录数字信号处理dsp芯片的发展及应用 1一、数字信号处理器的发展历史 1（一）第一阶段：70年代理论先行 1（二）第二阶段：80年代产品普及 1（三）第三阶段：90年代突飞猛进 2二、dsp芯片的关键技术2三、dsp的应用领域3四、dsp的典型应用4（一）dsp在雷达领域应用4（二）dsp在移动通信领域的应用61 / 9数字信号处理dsp芯片的发展及应用一、数字信号处理器的发展历史20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号 处理技术应

2、运而生并得到迅速的发展。从第一片dsp芯片的出现到现在， 伴随着信息技术革命的脚步dsp芯片已经走过了 30年的光辉岁月，在过 去的三十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应 用。在当今的数字化时代背景下，dsp己成为通信、计算机、消费类电子 产品等领域的基础器件。dsp的发展大致分为三个阶段：（一）第一阶段：70年代理论先行在dsp出现之前，数字信号处理只能靠mpu （微处理器）来完成。由 于mpu的处理速度较低，无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代, 有人才提出了 dsp的理论和算法基础。但是那时dsp仅停留在理论上，即 使是研制出来的dsp系统也是由分立元件构成的

3、，其应用领域仅局限于军 事、航空航天部门。（二）第二阶段：80年代产品普及随着大规模集成电路技术的发展，1982年诞生了世界上第一片dsp芯 片。这种dsp潜件采用微米工艺nm0s技术制作，虽然功耗和尺寸稍大， 但是运算速度比mpu提高了儿十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广 泛应用。dsp芯片的问世是电子信息技术的一个里程碑，它标志着dsp应 用系统由大型向小型化迈进了一大步。到80年代中期，随着cmos技术 的进一步发展，基于cmos工艺的第二代dsp芯片应运而生，其存储容量 和运算速度都得到了成倍提高，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

4、一步提高，其应用于范围 逐步扩大到通信、计算机领域。（三）第三阶段：90年代突飞猛进90年代以来，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，及第四代相比，系统集成度更高，将dsp芯 核及外围元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口常消费领域。二、dsp芯片的关键技术dsp是一种嵌入式处理器，支持单时钟周期的“乘加”运算。dsp具 有体积小、功耗小、使用方便、实时处理迅速、处理数据量大、处理精度 高、性价比高等优点。dsp内部采用了 5种关键技术：1、采用哈佛结构体系或改进的哈佛结构体系。d

5、sp处理器几乎毫不例外的采用了哈佛结构。哈佛结构把程序代码 和数据的存储空间分开，并有各h的地址和数据总线，每个存储器独立 编址和数据总线，用独立的一组程序总线和数据总线进行访问。如果程序代码存储空间及数据存储空间之间还可以进行数据交换， 则称为改进的哈佛结构。这种结构可以进行并行数据操作。2、采用多总线结构。多总线结构可以同时读取多组数据和存储数组数据，即同一时钟周 期内可移执行多个操作指令。1）采用流水线操作。由于dsp哈佛结构指令的各个阶段可以重叠进行,这样对每一条指令似 乎都是在一个周期内完成，可以把指令周期减到最小，增加数据吞吐量。2）采用硬件乘法器和高效的mac指令。dsp芯片都有

6、硬件乘法器，使得乘法运算做到一个周期内完成，及之配 合的指令为mac乘法累加指令，它可以可以在单周期内取两个操作数相 乘，并将结果加载到累加器。3）采用独立的传输总线及其控制器。处理器高速处理速度必须及高速的数据访问和传输相配合。而且为不 影响cpu及其相关总线的工作，dsp的dma单独设置了传输总线及其控 制器，因此可以独立工作。三、dsp的应用领域30年来，由于集成电路的发展，同时也因巨大的市场需求，dsp得到飞 速的发展，dsp在数字信号处理、通信、军事、自动控制、医疗、图像视 频处理等诸多领域得到广泛应用。dsp芯片的成本越来越低，性价比日益 提高，应用潜力巨大。dsp芯片的应用有：1

7、、 信号处理一如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；2、 通信一一如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；3、 语音一一如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等4、 图形/图像一一如二维或三维图形处理、图像压缩及传输、图像增强、动画、机器人视觉等5、 军事一一如保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、导弹制导等；6、 仪器仪表一一如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等7、 自动控制一一如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等

8、；8、 医疗一一如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等9、 家用电器一一如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具及游戏、数字电话/电视等四、dsp的典型应用（一）dsp在雷达领域应用dsp技术目前主要用于雷达的信号处理机部分，主要完成动目标检测、 动目标跟踪、脉冲多普勒处理、恒虚警检测等重要内容以及旁瓣对消、旁 4/9瓣消隐等抗干扰技术的实现。目前主要采用美国ti公司和adi公司的系 列产品。由于雷达系统越来越要求在结构上具有可扩展和可重构的能力。 因此，未来会越来越多采用数字技术，dsp的应用将越来越广泛，因此它 还是很有发展前途的。此外，也可以用于相控阵雷达天线的波束控制、接 收机agc的控

9、制和实现、频率综合系统、计算机系统、随动系统的控制等 等。下面重点介绍一下dsp在雷达信号处理方面的应用：快速傅里叶变换（fft）是雷达信号处理的重要工具。dsp内部的硬 件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证dsp在相同条件 下，完成fft算法的速度比通用处理器要快2到3个数量级。因此，在雷 达信号处理器中，大量采用dsp完成fft/ifft,实现信号的时-频域转换, 回波频谱分析，频域数字脉冲压缩等。fir滤波潜是雷达信号处理中常用设计之一。在动目标指示（mti） 或者动目标检测（mtd）中，采用fir滤波器可以滤除杂波干扰，提高信 杂比，然后通过恒虚警处理（cfar）,完成目

10、标的检测。在机载多普勒雷 达中，为了抑制地杂波的干扰，采用了复杂的自适应滤波器组。在阵列信 号处理以及波束形成中，需要进行数据校正及加权系数计算和控制，均需 要大量的复数运算。这些复数加权滤波潜、多普勒滤波器组或者矩阵运算 归根到底是复信号的乘法累加运算，均可根据不同算法的需要，采用dsp 进行灵活编程实现。数据重采样主要是为了得到雷达回波数据局部细节信息，实现数据校 正或者配准。例如在sar图像处理中，距离徙动校正中的多点插值算法， insar进行图像配准之前进行8倍像素细化，均可采用dsp完成一维和二 维的插值运算。dsp在参数估计方面也得到了广泛应用。典型的应用实例 是sar成像处理中的

11、最大对比度算法。最大对比度算法是一种优秀的多普 勒调频斜率估计方法，它通过对方位向数据的重复脉冲压缩，最后通过计 算对比度，得到最优的普勒调频斜率。其中，采用dsp完成大量的fft、 ifft和复数乘法，实现实时的参数估计。此外，dsp可以利用其存储器管理和计算能力，分析杂波强度、面积、 杂波的多普勒频率、起伏分量以及地杂波等，建立杂波图，完成雷达回波 的统计分析、信息保存及存储器控制等任务，最终实现cfar处理。由此 可见，dsp在雷达信号处理器设计中具有很大的灵活性和适用范围，它不 仅增强了信号处理的速度和能力，大大提高了信号处理系统的性能指标， 而且适合多功能可编程并行处理和阵列处理，满

12、足高速并行处理的要求。（二）dsp在移动通信领域的应用dsp技术在2g时代就已经开始应用，最典型的就是以dsp芯片作为蜂 窝电话的核心。我们知道，所有第二代（2g）数字蜂窝电话都是基于双处 理潜体系结构的；即包含一个数字信号处理器（dsp）和一个简单指令集 计算机（risc）微控制器（mcu）o其中，dsp用来实现调制解调器和通信 协议栈中物理层协议的功能；而mcu则用来支持用户操作界面，并实现通 信协议栈中上层协议的各项功能。在已有的2g手机市场中，dsp芯片以 ti公司生产的tms320c54x系列为主，65%的蜂窝电话采用了这类芯片。在 不同的多址模式中，dsp芯片可负责实现不同的功能：

13、在时分多址（tdma）模式手机中，dsp芯片负责实现数据流的调制解 调，利用编解码实现传输误码纠正并维持通信链路的稳定性，对数据进行 加密、解密以保证通信的安全性，对话音数据进行压缩和解压缩。在码分 多址（cdma）模式手机中，dsp芯片负责实现符号级功能，如前向纠错、 加密或语音压缩和解压缩。及此同时，dsp芯片还可以负责控制asic硬件; 其中，后者负责对扩频信号进行调制解调及后处理。在早期的2g手机中， 这些功能可以由tms320c54x系列dsp芯片实现，其时钟工作频率大约为 40mhzotms320c54x系列在2g中的优势是很明显的。而在2. 5g手机中，语音 编码芯片较以前更为复

14、杂，数据速率进一步上升，dsp芯片的时钟工作频 率也随之上升到了超过100mhz。数字技术的一大优点，就是可以支持多种数据通信业务。然而，由于 受到带宽的制约，2g移动电话只能为用户提供儿种相对简单的数据通信业 务。在大多数数字移动通信标准中，最高的数据传输速率仅为9. 6至14. 4 干比特每秒（kbps）。尽管，如此低速率的数据传输能力已经可以满足最 基本的数据应用的要求，但是为了实现包括互联网接入在内的高级业务， 就必须提供更高速率的数据传输能力。这就是2g移动通信标准向2. 5g和 3g移动通信标准转变的根本动力。同时，dsp芯片对于3g移动通信具有适用性。dsp技术是随着时代的 进步

15、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核及一个或多个专用的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7 / 9asic芯片才能实现的各项功能。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，例如：方便的可量测性、单个信道的低耗费、简便的软硬件升级性、 用于任何无线协议的单一结构等等。总之，以dsp芯片为核心构造的数字信号处理系统，集理数据采集、 传输和高速实时处为一体，能充分体现