Application Actuality and Development of DSP Technology
www.mct.com.cn 測控在線(xiàn) 2005-11-03
（北京航空航天大學(xué)通信與測控技術(shù)研究所，北京 100083） 張曉林，路 程，崔迎煒
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了數字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展歷程；講述了DSP系統的結構和特點(diǎn)；介紹了國內外DSP技術(shù)的應用現狀，并且描述了數字信號處理技術(shù)的發(fā)展前景和趨勢。
關(guān)鍵詞：數字信號處理；DSP系統；大規模集成電路
中圖分類(lèi)號：TN911.72
文獻標識符：A
Abstract: The development course of digital signal processing technology is briefly introduced. The feature and structure of DSP system are analyzed. The DSP system’s recent application actuality in the world is described. Finally the development future and trend are presented.
Key words: digital signal processing; DSP system; large scale integrated circuit
數字信號處理（DSP,digital signal processing）是一門(mén)涉及許多領(lǐng)域的新興學(xué)科，在現代科技發(fā)展中發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。近年來(lái)，數字信號處理理論在不斷取得進(jìn)步的同時(shí)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，專(zhuān)用的數字信號處理器芯片也獲得了飛速發(fā)展。
數字信號處理器是在模擬信號變換為數字信號后對數字信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專(zhuān)用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現數字信號處理的強大工具。近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，處理器芯片的處理能力越來(lái)越強大，使得信號處理的研究可以主要放在算法和軟件方面，不再像過(guò)去那樣需要過(guò)多考慮硬件。由于它的出色性能，DSP目前被廣泛應用于數字通信、信號處理、工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域。
1 DSP的發(fā)展歷程
在數字信號處理技術(shù)發(fā)展的初期（上世紀50～60年代），人們只能在微處理器上完成數字信號的處理。一般認為，世界上第一個(gè)單片DSP芯片是1978年AMI公司發(fā)布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一個(gè)具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認為是第一塊單片DSP器件。
隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年美國德州儀器公司柜櫥世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標志著(zhù)實(shí)時(shí)數字信號處理領(lǐng)域的重大突破。TI公司隨后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已經(jīng)推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。
美國Analog Device公司在DSP芯片市場(chǎng)也有一定的份額，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定點(diǎn)的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮點(diǎn)DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。
20世紀80年代以來(lái)，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從運算速度來(lái)看，MAC（一次乘加運算）時(shí)間已經(jīng)從80年代初期的400 ns降到了10 ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片的引腳數量從1980年的64個(gè)增加到現在的200個(gè)以上，引腳數量的增加也加強了結構的靈活性[1]。
2 DSP系統和芯片的基本結構
2.1 DSP系統的基本結構
系統所需要處理的信號一般為自然條件下的模擬信號，這就需要首先將輸入的信號轉換為數字的電信號。這就需要A/D（模數轉換）模塊，A/D模塊將模擬信號轉換為數字的比特流，輸入給DSP系統，DSP系統對數字信號進(jìn)行某種處理之后，一般還需要輸出為模擬信號來(lái)供人們使用，所以又用到了D/A（數模轉換）模塊，將處理后的數字信號轉換為模擬值。整個(gè)系統的構成如圖1所示。
數字信號處理結構穩定性好，可重復性好，可以大規模集成，使得信號處理功能更復雜，手段更靈活，精度更高。
2.2 DSP芯片的結構特點(diǎn)[2]
DSP處理芯片，為了適應信號處理運算的需要，結構與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點(diǎn)為：
(1)具有專(zhuān)用的算術(shù)單元，如硬件乘法器，DSP內部設有硬件乘法器來(lái)完成乘法操作，以提高乘法速度。
(2)具有特殊的總線(xiàn)結構——哈佛結構。這種結構使DSP具有獨立的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，可以同時(shí)取地址和操作數。
(3)流水處理。流水技術(shù)使多個(gè)不同的操作可以同時(shí)執行，處理器內將每條指令的執行分為取址、解碼、執行等階段，不同的階段并行執行，提高了程序執行的效率和速度。
(4)高速的片內存儲器。DSP芯片一般內部集成有程序和數據存儲器，訪(fǎng)問(wèn)速度快，緩解總線(xiàn)接口的壓力，提高程序執行的速度。
一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專(zhuān)用的設計結構，這里不一一列出?？傊?，DSP功能上的特點(diǎn)很大程度上是針對數字信號處理算法的特點(diǎn)，針對性地組成專(zhuān)用的結構，以滿(mǎn)足處理的需要。
3 DSP芯片的產(chǎn)品和市場(chǎng)
3.1 應用領(lǐng)域和市場(chǎng)
在近20多年的時(shí)間里，DSP芯片的應用已經(jīng)從軍事、航空航天領(lǐng)域擴大到信號處理、通信、雷達、消費等許多領(lǐng)域。主要應用有：信號處理、通信、語(yǔ)音、圖像、軍事、儀器儀表、自動(dòng)控制、醫療、家用電器等。
DSP主要應用市場(chǎng)為3C（communication、computer、consumer——通信、計算機、消費類(lèi)）領(lǐng)域，所占市場(chǎng)比例超過(guò)90%，并且總體市場(chǎng)規模在不斷擴大。在數字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò )化的推動(dòng)下，預計未來(lái)的年均增長(cháng)率高達40%。在全球的DSP市場(chǎng)中，TI公司獨占鰲頭，占世界市場(chǎng)的45%份額，其次是朗訊(28%)、ADI(12%)、摩托羅拉(12%)、其他公司(3%) [3] 。
3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其產(chǎn)品
（1）TI公司。
TI（Texas Instruments）公司在業(yè)界一直處于領(lǐng)先的地位。近年，TI在原來(lái)的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上又推出了3種高性?xún)r(jià)比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。這3種芯片，在我國的信號處理硬件領(lǐng)域應用也是非常廣泛，下面作些簡(jiǎn)要介紹：
TMS320C2000系列主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，提供了全系列的高性能控制芯片，代碼運行效率高。除了較強的控制功能之外，還提供了方便的接口與高性能外圍器件相連。主要型號有TMS320C24X和28X系列。
TMS320C5000系列為高性能的低功耗定點(diǎn)DSP芯片。處理速度最高可以達到900 MIPS，功耗很低，可以達到0.33 mA/MHz。非常適合移動(dòng)和手持系統的應用。主要有TMS320C54X和55X系列。
TMS320C6000系列為新一代高性?xún)r(jià)比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點(diǎn)運算可以達到1200到8 000 MIPS（百萬(wàn)條指令/秒），浮點(diǎn)運算可以達到600到 1 800 MFLOPS（百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作/秒）的運算速度。主要有定點(diǎn)系列的TMS320C62X和浮點(diǎn)系列的TMS320C67X。TMS320C64X為T(mén)I最新推出的高性能定點(diǎn)DSP處理器，時(shí)鐘速度提高到1 GHz，單片處理能力可達到8 000 MIPS。
（2）Analog Device公司。
ADI公司的DSP目前主要分為3個(gè)系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。
SHARC系列一直在雷達、聲納信號處理等領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，很多商用、軍用的信號處理機中都可以看到SHARC的身影。單片處理能力有限的SHARC之所以能夠在通信信號處理領(lǐng)域有這么高的聲譽(yù)，完全是由于A(yíng)DI優(yōu)秀的片間互連技術(shù)（LINK口），利用這個(gè)LINK口可以很方便地將幾片、幾十片SHARC連接起來(lái)組成DSP陣列，從而在單片處理能力達不到要求的場(chǎng)所利用DSP陣列就很容易達到了。
Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時(shí)功耗要求又比較低的場(chǎng)所。它所具備的優(yōu)點(diǎn)很適合在便攜式通信產(chǎn)品中應用。
TigerSHARC是從SHARC改進(jìn)的高端DSP，它的出現是ADI公司的DSP在高端領(lǐng)域應用開(kāi)創(chuàng )了歷史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主頻高達600 MHz，處理能力高達14.4 GOPS，還有超大容量的RAM，使它一出世就在高端領(lǐng)域脫穎而出。尤其適合軟件無(wú)線(xiàn)電的應用。
DSP已經(jīng)發(fā)展成為了一種成熟的技術(shù)，也是一種成熟的產(chǎn)品，它在數字信息時(shí)代占據越來(lái)越重要的位置，所以其市場(chǎng)的擴展還存在著(zhù)巨大的空間。DSP的性能、價(jià)格和功耗是決定其市場(chǎng)的三個(gè)重要因素。挑戰更高的性能，盡可能降低價(jià)格和功耗，一直是DSP追求的目標。
4 DSP處理系統的發(fā)展現狀
4.1 國際發(fā)展現狀
簡(jiǎn)略國際DSP處理發(fā)展的現狀，國外的商業(yè)化信號處理設備一直保持著(zhù)快速的發(fā)展勢頭。歐美等科技大國保持著(zhù)國際領(lǐng)先的地位。例如美國DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他們很多已經(jīng)發(fā)展到相當大的規模，競爭也愈發(fā)激烈。我們從國際知名DSP技術(shù)公司發(fā)布的產(chǎn)品中就可以了解一些當今世界先進(jìn)的數字信號處理系統的情況。
以Pentek公司一款處理板4293為例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的處理能力，同時(shí)集成了8片32 MB的SDRAM，數據吞吐600 MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC處理器，工作頻率400/500 MHz，兩級緩存256K×64 bit，最高具有16MB的SDRAM。
ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的協(xié)同工作能力，可以組成強大的處理器陣列，在諸多領(lǐng)域（特別是軍事領(lǐng)域）獲得了廣泛的應用。以英國Transtech DSP公司的TP-P36N為例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片構成，時(shí)鐘 250 MHz，具有6～12 GFLOPS的處理能力。
DSP應用產(chǎn)品獲得成功的一個(gè)標志就是進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。在以往的20年中，這一進(jìn)程在不斷重復進(jìn)行，而且周期在不斷縮小。在數字信息時(shí)代，更多的新技術(shù)和新產(chǎn)品需要快速地推上市場(chǎng)，因此，DSP的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還是需要加速進(jìn)行。隨著(zhù)競爭的加劇，DSP生產(chǎn)商隨時(shí)調整發(fā)展規劃，以全面的市場(chǎng)規劃和完善的解決方案，加上新的開(kāi)發(fā)歷年，不斷深化產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
4.2 我國發(fā)展現狀
隨著(zhù)我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)我國的數字信號處理學(xué)科發(fā)展較快。DSP處理器已經(jīng)在我國的數字通信、信號處理、雷達、電子對抗、圖像處理等方面得到了廣泛的應用，為科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟建設創(chuàng )造了很大價(jià)值。全國有很多高校、科研機構的信號處理實(shí)驗室都在大力研究性能更高的數字信號處理設備，取得了很多研究成果。我國的科研人員通過(guò)對先進(jìn)的DSP芯片的研究，已經(jīng)研制出一些高性能處理設備的解決方案，并且在板級PCB設計方面，也取得了寶貴的設計經(jīng)驗。
以我國某電子技術(shù)研究所研制的DSP雷達數字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規?？删幊唐骷嫵赏ㄓ锰幚砟K。通過(guò)信號處理算法并行設計、系統多數據流設計、處理任務(wù)分配調度程序設計，實(shí)現高速實(shí)時(shí)雷達數字信號處理 [4] 。以FFT算法為例，將任務(wù)分為3個(gè)流水處理過(guò)程：FFT、復數乘法、IFFT，實(shí)現多片DSP組成并行處理。在33 MHz時(shí)鐘下，1 024點(diǎn)處理通過(guò)時(shí)間為0.7 ms，可以實(shí)現單通道數據率為1 MHz，雙通道并行工作為2 MHz。
國內的某大學(xué)所研制的基于TMS320C6201的高速實(shí)時(shí)數字信號處理平臺，實(shí)現基-2的復數FFT，允許輸入數據的動(dòng)態(tài)范圍16-bit，可以實(shí)現59 μs內完成512點(diǎn)的FFT，130 μs內可以完成1 024點(diǎn)的FFT。
但是，應該看到，我國在信號處理理論、高速高性能處理器設計和制造方面與國際先進(jìn)水平還有較大差距。而且，主要的核心處理器件基本完全依賴(lài)進(jìn)口，這也是我國半導體研究領(lǐng)域需要大力加強的工作之一。復雜的大型處理機PCB板級設計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚勇于拼搏的精神，繼續的刻苦努力。
5 DSP技術(shù)展望
5.1 向著(zhù)集成DSP方向發(fā)展
目前的DSP多數基于RISC（精簡(jiǎn)指令集）結構，這種結構的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高?，F在各DSP廠(chǎng)紛紛采用新工藝，將幾個(gè)DSP核、MPU核、專(zhuān)用處理單元、外圍電路單元和存儲單元集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統級集成電路。
5.2 內核結構進(jìn)一步改善
多通道結構和單指令多重數據（SIMD）、超長(cháng)指令字結構（VLIM）、超標量結構、超流水結構、多處理、多線(xiàn)程及可并行擴展的超級哈佛結構在高性能處理器將占據主導地位。
5.3 進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸
DSP的應用范圍已經(jīng)擴大到人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進(jìn)一步降低功耗。隨著(zhù)CMOS的發(fā)展，提高DSP的運算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。
5.4 與可編程器件結合
DSP在許多新的領(lǐng)域的應用要求它借助PLD或FPGA來(lái)滿(mǎn)足日益增長(cháng)的處理要求。與常規DSP器件相比，FPGA器件配合傳統DSP器件可以處理更多的信道，來(lái)滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信、多媒體等領(lǐng)域的多功能和高性能的需要。
參考文獻：
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[3] 戴敏. 數字化時(shí)代的基石——DSP發(fā)展應用縱橫談[J].
[4] 蔣志焱，黃銀河，夏映玲. 基于DSP的雷達數字信號處理通用模塊[J]. 現代雷達，2003(4).
[5] www.ti.com.
[6] www.analog.com.
作者簡(jiǎn)介：張曉林（1951－），男，北京人，博士，北京航空航天大學(xué)教授、博士生導師、電子信息工程學(xué)院院長(cháng)，中國電子學(xué)會(huì )常務(wù)理事，電子學(xué)報、航空學(xué)報、遙測遙控學(xué)刊編委，主要研究方向：通信與電子系統，無(wú)人飛行器遙控遙測，集成電路設計的科研、教學(xué)工作。
