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文檔簡介

1、數(shù)字信號處理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)字信號處理DSP芯片的發(fā)展及應(yīng)用 1一、數(shù)字信號處理器的發(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4(一)DSP在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用4(二)DSP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用61 / 9數(shù)字信號處理DSP芯片的發(fā)展及應(yīng)用一、數(shù)字信號處理器的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代以來,隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字信號 處理技術(shù)應(yīng)

2、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系統(tǒng)也是由分立元件構(gòu)成的

3、,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潛件采用微米工藝NM0S技術(shù)制作,雖然功耗和尺寸稍大, 但是運(yùn)算速度比MPU提高了兒十倍,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,運(yùn)算速度進(jìn)

4、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。 現(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品,及第四代相比,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口常消費(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。D

5、SP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)的存儲空間分開,并有各H的地址和數(shù)據(jù)總線,每個(gè)存儲器獨(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。如果程序代碼存儲空間及數(shù)據(jù)存儲空間之間還可以進(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

6、硬件乘法器,使得乘法運(yùn)算做到一個(gè)周期內(nèi)完成,及之配 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及高速的數(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)也因巨大的市場需求,DSP得到飛 速的發(fā)展,DSP在數(shù)字信號處理、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

7、、 信號處理一如數(shù)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、 通信一一如調(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、 語音一一如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等4、 圖形/圖像一一如二維或三維圖形處理、圖像壓縮及傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等5、 軍事一一如保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等;6、 儀器儀表一一如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等7、 自動(dòng)控制一一如引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等

8、;8、 醫(yī)療一一如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等9、 家用電器一一如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具及游戲、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)的信號處理機(jī)部分,主要完成動(dòng)目標(biāo)檢測、 動(dòng)目標(biāo)跟蹤、脈沖多普勒處理、恒虛警檢測等重要內(nèi)容以及旁瓣對消、旁 4/9瓣消隱等抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前主要采用美國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

9、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)介紹一下DSP在雷達(dá)信號處理方面的應(yīng)用:快速傅里葉變換(FFT)是雷達(dá)信號處理的重要工具。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。因此,在雷 達(dá)信號處理器中,大量采用DSP完成FFT/IFFT,實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)-頻域轉(zhuǎn)換, 回波頻譜分析,頻域數(shù)字脈沖壓縮等。FIR濾波潛是雷達(dá)信號處理中常用設(shè)計(jì)之一。在動(dòng)目標(biāo)指示(MTI) 或者動(dòng)目標(biāo)檢測(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

10、標(biāo)的檢測。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。在陣列信 號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)濾波潛、多普勒濾波器組或者矩陣運(yùn)算 歸根到底是復(fù)信號的乘法累加運(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

11、最大對比度算法。最大對比度算法是一種優(yōu)秀的多普 勒調(diào)頻斜率估計(jì)方法,它通過對方位向數(shù)據(jù)的重復(fù)脈沖壓縮,最后通過計(jì) 算對比度,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)了信號處理的速度和能力,大大提高了信號處理系統(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

12、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 理潛體系結(jié)構(gòu)的;即包含一個(gè)數(shù)字信號處理器(DSP)和一個(gè)簡單指令集 計(jì)算機(jī)(RISC)微控制器(MCU)o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:

13、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,對數(shù)據(jù)進(jìn)行 加密、解密以保證通信的安全性,對話音數(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)符號級功能,如前向糾錯(cuò)、 加密或語音壓縮和解壓縮。及此同時(shí),DSP芯片還可以負(fù)責(zé)控制ASIC硬件; 其中,后者負(fù)責(zé)對擴(kuò)頻信號進(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 40MHzoTMS320c54X系列在2G中的優(yōu)勢是很明顯的。而在2. 5G手機(jī)中,語音 編碼芯片較以前更為復(fù)

14、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 受到帶寬的制約,2G移動(dòng)電話只能為用戶提供兒種相對簡單的數(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 干比特每秒(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2. 5G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

15、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核及一個(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7 / 9ASIC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3G通信具有極大的適用 性,例如:方便的可量測性、單個(gè)信道的低耗費(fèi)、簡便的軟硬件升級性、 用于任何無線協(xié)議的單一結(jié)構(gòu)等等??傊?,以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(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)

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