数字信号处理的新技术及发展

数字信号处理的新技术及发展摘要：数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。本文简述了数字信号处理技术的发展过程，分析了数字信号处理技术在多个领域应用状况，介绍了数字信号处理技术的最新发展，对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。关键词：信号数字信号处理信息技术DSP0引言自从数字信号处理（DigitalSignalProcessor）问世以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生，并到迅速的发展。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。随着技术成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。1数字信号处理技术的发展历程DSP的发展大致分为三个阶段：在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50-60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芯片的一个重要里程碑。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，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和第三代DSP芯片。90年代DSP发展最快。Ti公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。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，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。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降低到10ns以下，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1980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。2数字信号处理技术的广泛应用自然界中存在的各种各样的信息和信号都可以通过传感器转换为电信号，例如：声音、语言和音乐可以通过传声器（如话筒）转换成音频信号；人体器官的运动信息（如心电、脑电、血压和血流）可转换成不同类型的生物医学信号；机器运转产生的一些物理变（如温度、压力、转速、振动和噪声等）可用不同类型的传感器转换成对应于各种物理量的电信号；在人造卫星上用遥感技术可得到地面上的地形、地貌，甚至农田水利和各种建筑设施的信息；雷达、声纳能探测远方飞机和潜艇的距离、方位和运行速度等信息。总之，在现代社会里，信息和信号与人民生活、经济建设、国防建设等很多方面都有着密切的关系。使得数字信号处理技术应用的范围不断扩大，现在数字信号处理技术的应用遍及与其相关的各个领域。典型应用：(1)通用信号处理：卷积，相关，FFT，Hilbert变换，自适应滤波，谱分析，波形生成等。(2)通信：高速调制/解调器，编/译码器，自适应均衡器，仿真，蜂房网移动电话，回声/噪声对消，传真，电话会议，扩频通信，数据加密和压缩等。(3)语音信号处理：语音识别，语音合成，文字变声音，语音矢量编码等。(4)图形图像信号处理：二、三维图形变换及处理，机器人视觉，电子地图，图像增强与识别，图像压缩和传输，动画，桌面出版系统等。(5)自动控制：机器人控制，发动机控制，自动驾驶，声控等。(6)仪器仪表：函数发生，数据采集，航空风洞测试等。(7)消费电子：数字电视，数字声乐合成，玩具与游戏，数字应答机等。2.1数字信号处理在多媒体通信的应用多媒体是将传统的模拟视频信号和声音信号转换为数字信号来实现的。视频和声音信号的数字化会产生大量的数据，这些数据要依靠高性能的DSP来减小对存储空间和传输带宽地要求。需要由DSP来完成的任务包括视频信号和声音信号的编码/解码、彩色空间转换、回音消除、滤波、误码校正、复用、bit流协议处理等。例如，在网络电话（VoiceoverIP；VoIP）中，模拟语音信号必须经过处理，转换成适合在IP网络上传输的IP数据包，这个过程需要先进行数字编码，转换为PCM码，然后经过专门的DSP芯片进行数据压缩，最后再打上IP包的标记，形成IP数据包的形式，以适合IP网络上的传输带宽，这涉及PCM、DSP、编码、压缩等内容。在IP电话中，利用DSP技术进行语音压缩和解码，可以极大地提高语音质量，降低对存储空间的要求，加快系统处理速度，并进一步压缩对带宽的需求。图4表示VoIP传输的基本过程，可以看出，DSP技术在进行语音压缩和解码时起着至关重要的作用。近年来，随着计算机辅助设计、制造和超大规模集成电路的发展，各种ASIC专用芯片，如FFT芯片，数字滤波器芯片语音识别和合成芯片语音和图像压缩编码芯片等大量出现。最新的发展趋势是进一步提高集成性，将CPU、DSP、大容量存储器、现场可编程门阵列等集成在同一芯片上，这样组成的数字信号处理系统具有很大的灵活性，可以作为多媒体的硬件平台。DSP技术是现代通信的核心技术之一，未来的通信将越来越依赖数字信号处理技术的发展。现代通信技术的发展要求将先进的通信技术、微电子技术和计算技术结合在一起。可以设想，在使用了现代DSP技术的通信系统中，原先不能互联的多种通信体制将综合为一个通用的通信体制，人们可以摆脱终端的束缚，实现“一机在手，漫游天下”的梦想。这种崭新的通信体制将给我们的生活方式，甚至思维模式带来巨大的变化。2.2数字信号处理技术在软件无线电的应用软件无线电是利用同样的硬件设备和不同的软件模块，来适应不同频段、不同调制方式下的通信。软件无线电中，最重要和最具有挑战性的部分就是高性能的A/D、D/A变换器和以DSP为核心的实时信号处理。软件无线电对DSP提出了实时性很高的要求，它有力的促进着DSP的发展，其中包括单片处理器的性能、多处理器协同工作的能力、DSP软件开发环境和DSP实施操作系统等方面。软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。例如，在欧洲的先进通信技术与业务计划中（ACIS）,有多项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中。美国也正在研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带与多模式手机与基站，使软件无线电设备升级的成本大幅度降低，同时，软件无线电技术与计算机技术正在不断融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。我国对软件无线电技术也相当重视，例如，我国提出的第三代移动通信系统方案SCDMA(同步码分多址)是一种同步的直接扩频CDMA(码分多址)技术，他结合了DSP、智能天线、软件无线电技及全质量语音压缩编码技术等现代通信技术。图3表示移动通信手持终端中的信号和信息的传输与处理过程，DSP在其中的核心作用是是显而易见的。2.3数字信号处理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。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。2.4数字信号处理技术在家电中的应用DSP擅善于数学运算，嵌入式DSP电机控制芯片把DSP内核与一系列功能强盛的控制外设集成到一个芯片上，这样便能以快速的DSP内核作为计算引擎，加上片内的A/D模块提高了电机控制带宽，而且允许低本钱实现更加复杂垢控制和无传感器的算法，因此能控制交流感应电动机、无刷直流电动机和开关磁阻电机，需不需要速度或位置传感器，甚至特另外电流传感方式。这些计算能力和优化的外设使它很容易的完成更多的功能，如功率因数的校正;在不增加控制器本钱的情况下，满意某些特别应用的要求，如洗衣机的平衡控制。新经济将我们带进一个全数字的世界，更多的数字信息将要涌入家庭，如网络冰箱就是量例。嵌入式DSP使控制器甚至是电器之间建立通信成为易事。最新的嵌入式DSP带调试用的JTAG和为家庭网络控制用的CAN总线。DSP计算引擎将与更先进的外设集成，提供一种单片解决方案。因此优化的外设是可编程的，而且处于软件的实时控制之下，所以嵌入式DSP可提供更加灵活多样的控制特征，且易于升级。3.数字信号处理技术的发展趋势（1）努力向系统级集成迈进缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个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。这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间，是一个重要的发展趋势。（2）基一步改善DSP的内核结构DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计，以极大改进产品性能。多通道结构和单指令多重数据（SIDM）、超常指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的哈佛（SHARC）结构，在新的高性能处理器中将占据主导地位。（3）可编程是DSP主导产品可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。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，许多微处理器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。（4）追求更高的运算速度，进一步降低功耗和几何尺寸由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更快更高的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗几何尺寸的降低是完全可能的。例如，采用0.13μm最新半导体工艺制造的μPD77210用1.5V低电压供电，功耗仅为以往产品的一半。（5）定点DSP是主流虽然负电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，对存储器的要求也低，而且耗电较省。因此，