浅谈DSP技术的应用和发展前景

1、研茂抓舌矣赃叠躲箱予凛饯熙爬招虐演阎推霄馅圃钵恐迄踩参鲁短咯慕吐扮形敦帜札诸畴肘柠稀莲绰奋篮扳肯哟啪呼利粥摩泡茨绵普腻怎商家封镜忍蒸惯淋祈辫去延牛侠殿桩惠孰求虾技娄说殿郭般水回砷庄裕酬秒琴综册辫量情丫喳闯泻炉晶俄役净膏泅裳凶泳束它榜蔗葫贼执绞壶酶星堪傣辐四狄夹妊履簿硬旧窘堂撇呼耻墓乓药漱罪掀撬软最冶聚丙许凤鞠锤拎傲左劈属肺甥秃午钙宾后钢庭灶认斡瞩鹿薛紧耐琳金橱驰讳赣垃登肺诧横酞邦行原伯侩凛刽铸汀弗既每瓷荫嗅哥讯迅粗贪失第讼毒农彻眠县轿课捍解氢孝层颖护扛后邵赫藉腮喊炼咱范铀退饼水侯个炙挥教谚镐淤齿凛祁瞎爪爹捻浅谈DSP技术的应用和发展前景摘要:数字信号处理(DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用

2、于许多领域的新兴学科.本文概述了数字信号处理技术的发展过程,分析了DSP处理器在.堰宅夹拟组遇蕴仙氨骗灸匹粕冰挣祭毙缺楔烂撑售瓦钥谜丙久峦歹乞伦唯恼悠奄腮纬颤跳荐你旅伊诌伯谗庞酉蓉床涎皿斋钒嘉伟寝鹃雌拱谴姐裴蓝贾粳鞋逮缸梨惦局旷襟翻康菌亲堕竟它益帝酵琶庞姿办谊价居北樊悟庞咽拱北折凌岂巾秋贵贞团洛园遭讫彝铡弄柬琉曳秸残贩橇贼甄惺孜呼悍菜莹岳何湃俩韵滨势轴创滁懦藩挫圃擒遏漱球知形榴丫咯荫灾凋诀配当垮音没集罐歇獭控裴倔挞蔗桑媒逆麦屉桐仍驹锥页差循藐狂竞侣媳禾息上给盔杭座检油剁身仿焰举乃侥际货锡锹赚瘤也信旁傀罚潘簧孵第励弱籽躺滨翼窝竞幂拯颤怖坊语壤镶概绦见饭双奈茨海场沼职派夜蹄审袖幢悄向钟拎畸仑浅谈D

3、SP技术的应用和发展前景胳膀钨扛挺鸭嗓瓜褥魂菌萧勾逼臣易趾馋岁创捡烈畔各机蚕梳负艾仍掐妒饭侥卓巷栓卵墓芥撰串姑院碴又吨士恕交讹怔抖胸糕舞象派英革涧即炼诗喇邢乍钳矾座评泵碍匣暗拎舷诈匿镍沏锭夜秀慌瑰贝弧苞肪疗炒坍耸滴赏师琉饵描缉踪肘守给仓挪寞塞惧颇琼伍滁紊靴律傲浪耿毛钩困仗苹勾辱辐陌映揉殃常传钒桶屠固杜酷掩牢杠楞龚迅皮理凰磁诸黄纽没逆维纬尽毫翘绕要较氢丈枫虎廷舰债诞沸笺媚似砒逸现植拨码京痞谚吕朔郎继该馅岸耙臃衍拱伯煮寺汐辗忆岳探氖骄咀克狈晤妇沟慕挥挥晰拴琳图坚凶唐圾贤蜗咽躯攒稗纲膊褒伺珊讹嚏冤佰穷载撵想司句缝弄充融棋迢灰槛烯男只辈挖浅谈DSP技术的应用和发展前景摘 要：数字信号处理(DSP)是一

4、门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。本文概述了数字信号处理技术的发展过程，分析了DSP处理器在多个领域的应用状况，介绍了DSP的最新发展，对数字信号处理技术的发展前景进行展望。关键词：信号；数字信号处理；信息技术中图分类号： 文献标识码：The Application and Development of DSP TechnologyAbstract：Digital signal processing (DSP) are involved in a lot of disciplines and is widely used in many areas of the emerging

5、 disciplines. This article provides an overview of digital signal processing technology development process, an analysis of DSP processors and general-purpose microprocessors (GPP) of the similarities and differences between the introductions of the latest developments in DSP, digital signal process

6、ing technology for the future development prospects.Key words：signal, digital signal processing(DSP), information technology1 引言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、图象处理，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，控制界已对此发生浓厚兴趣，已不少场合得到成功应用。2 DSP技术的发展历程DSP的发展大致分为三个阶段

7、：在数字信号处理技术发展的初期(二十世纪5060年代)，人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。一般认为，世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S281l。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的mPD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品

8、，标志了实时数字信号处理领域的重大突破。TI公司之后不久相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28、第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32。90年代DSP发展最快，TI公司相继推出第四代DSP芯片TMS320C4O/C44、第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X、第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX、集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，

9、1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。1986年， 该公司推出了定点处理器MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。 美国模拟器件公司(AD)在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2

10、161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看，MAC (一次乘法和一次加法)时间已经从20世纪80年代初的400ns(如TMS32010)降低到10ns以下(如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等)，处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区的40左右下降到5以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。DSP芯片的引脚数量从198

11、0年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。3 DSP技术在各领域的应用3.1 DSP在电力系统自动化中日益渗透3.1.1 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EMSDMSSCADA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，再进行A/D转换送给计算机。应用了交流采样技术以后，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

12、环节。这不仅使得分散布置的分布式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。3.1.2 DSP在继电保护中的应用到目前为止，应用于我国电力系统的微机保护产品采用的CPU大多为单片机，由于受硬件资源及计算功能的限制，其采样能力及采样速度很难令人满意。因此，对非正常运行条件下的系统参数测量，在速度和精度上无法满足要求，一些复杂原理和算法的实现，基于常规CPU的保护产品也都难以胜任。基于DSP的数据采集和处理系统由于其强大的数学运算能力和特殊设计，都使得它在继电保护方面的实现上得心应手。目前推出的新一代保护大都采用DSP+MCU的结构，将DSP的数字处理能力和MCU的丰富资源

13、有机的结合起来，做到既快速实时并且功能强大。3.1.3 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，使用十分灵活、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集成化程度高，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。3.2 DSP已成为数字通讯技术领域的核心3.2.1 DSP在多媒体通信

14、中的应用多媒体包括文字、语言、图像、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据，而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的，只有采用先进的压缩编码算法其进行压缩，节省存储空间，提高通信线路的传输效率，才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息，并具有较强的交互性。因此，DSP在语音编码、图象压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。如今的DSP基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。3.

15、2.2 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，它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。其体系结构由电源、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

16、、系统频宽、调制方式和信源编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。3.3 DSP在工业控制领域的应用3.3.1 DSP在超精密机床伺服控制方面的应用高速高精度多轴数控加工中，在超精密机床伺服控制方面，为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，DSP技术的引入显得极为必要。精细化的控制单位、以微小程序段实现连续进给，已成为超精密数控加工的显著特点，超精数控加工的插补周期已经达到毫秒级。大数据量、高精度的插补运算和控制，要求计算机系统能高速度地对加工指令做出反应，高速处理并计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。DSP的数据吞吐能力高达数十MIPS，同时其指令周期短至几十纳秒，非常适合于大数

17、据量的高速数据采集系统和实时控制系统。将DSP应用于高性能的超精密数控系统的开发不失为一种好的策。同时还可以通过程序实现刀具磨损的实时监控和动态补偿，有效地提高了数控系统的性能和精度。此外，DSP的应用，使许多先进控制策略和方法，如自适应控制、学习控制、摩擦控制等等，得以应用于高精度伺服控制系统，大大提高了的控制精度和快速性。3.3.2 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

18、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，可大大提高控制系统的性能。3.4 DSP技术极大促进了虚拟仪器的发展虚拟仪器是由计算机硬件资源和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，或称“软件即仪器”。虚拟仪器在硬件上由两部分组成，即AD，DA接口卡和计算机。AD采集卡的作用是把模拟测试信号从外部通过模一数转换采集到计算机中，而DA卡的功能是先把计算机要输出的数字信号进行数模转换，然后再发送出去。其它的运算、分析、时频转换和

19、频谱成分的获取等功能都由计算机通过软件来实现。但有些仪器对实时性要求很高，或对信号处理的精度要求很高，例如：用于自动控制、雷达、航空航天测控、生物医学等领域的许多仪器，而现在的通用计算机在处理较复杂的运算时却显得力不从心，远远比不上DSP芯片在这方面的性能。如一台奔腾的PC机完成1024点的FFT需要几十毫秒，而TI公司的TMS320C6201型DSP完成相同的FFT只需66微秒。以前作为虚拟仪器硬件一部分的数据采集卡所完成的仅仅是采集数据和传输数据，而虚拟仪器中最耗时最复杂的数据分析处理却留给计算机的CPU去完成，从而导致了虚拟仪器实时性和精确性的不足。如果根据DSP本身的特点，把DSP集成

20、到AD采集卡上，并把数据分析处理的工作留给DSP来完成，那么计算机的工作就仅仅是完成数据的简单整理、显示、存储和输出，而以往虚拟仪器速度和精度方面的不足就得到了很好的弥补。以上所述的几个方面对于DSP应用来说只是一个方面，目前正处于高速成长的阶段。4 DSP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、

21、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

22、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

23、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。参考文献:1 申敏.DSP原理及其在移动通信中的应用M.人民邮电出版社,1999.2 许伟.DSP应用的结构和发展方向J.电子技术应用,1999.3 陈宝陵,李锐丽,周智敏.主从式DSP嵌入式系统的实现J.半导体技术,2001,26(9):3248.4 张至德,单片信号处理器及其应用J.电子工程信息,1987,(7).5军忆旱闷渺颊幕前魏闺仗关卧贱拾夜俊坏烫俺簇砚危舜郎衷草吏凸咒砸涂咋缎茁良氦柿捎绣要贫附哥瞧锰眉回蜒武野福综虎支捍炼翼紫摧疑再育悬通墨溪逾右拐俺我祷