浅谈对DSP的认识和发展

一 概念的理解 

DSP一方面是Digital Signal Processing的缩写，意思是数字信号处理，就是指数字信号理论研究。DSP另一方面是Digital Signal Processor，意思是数字信号处理器，就是用来完成数字信号处理的器件。我们常说的DSP指的是数字信号处理器。 

二 DSP的发展概况 

    最初的DSP器件只是被设计成用以完成复杂数字信号处理的算法。DSP器件紧随着数字信号理论的发展而不断发展。在20世纪60年代，数字信号处理技术才刚刚起步。60年代中期以后，快速傅里叶算法的出现及大规模集成电路的发展大大促进了DSP技术与器件的飞速发展。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，被誉为信息社会的“旗手”。DSP器件的发展大致可分为三个阶段: 

    在DSP出现之前数字信号处理只能依靠微处理器来完成。但由于微处理器较低的处理速度不快，根本就无法满足越来越大的信息量的高速实时要求。因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求，到了70年代，有人提出了DSP的理论和算法基础。但那时的DSP仅仅停留在教科书上，即使是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。一般认为，世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811。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mP D7720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和半导体技术的发展，1982年世界上诞生了第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比微处理器快了几十倍，尤其在语言合成和编码译码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至80年代中期，随着CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，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，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。90年代DSP发展最快，相继出现了和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与相比，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的日常生活领域。经过20多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐步成为电子产品更新换代的决定因素。 

三 DSP的现状： 

  一、市场发展现况 

  中国的DSP市场作为整个半导体市场一样为国际半导体市场的一个组成部分，必然具有国际半导体市场的共性。由于它植根于中国这一特定经济与社会环境的土壤之中，又必然带有自身的强烈个性。概括而言基本特点有： 

1.持续的较高增长率 

2.基本已与国际市场接轨。具体体现在：产品和技术已基本接轨;价格和上市时间基本接轨;营销方式和服务水平正逐渐接轨。 

3. DSP处理器仍为TI、AGERE、ADI等占领;产品受外国大企业控制。 

4.海外及港台半导体企业进入中国市场的方式目前仍以产品输出为主。最先进的产品设计技术和芯片生产技术未向中国转移;最先进的工艺设备制造和原材料仍布局在中国以外。 

中国是亚洲发展潜力最大的市场。数码相机、MMoIP电话和手持电子设备等数码产品在中国市场的迅速发展促进了高性能DSP的广泛使用。中国的电子产品制造商众多，对低成本、易使用的DSP需求巨大。 中国电子信息产业快速发展，带动DSP应用市场高度成长，2000年DSP市场总需求量为2.35亿颗，到了2001年达到3.29亿颗，成长幅度高达40%;依据CCID预测，到2005年前，年成长率将高于全球达到40%以上，预计DSP总市场需求量到2005年将达到13亿颗，市场成长迅速。 

  二、技术发展现况 

    国内发展DSP的厂商并不多，而主要的应用产品是DVD与无线电话等，因此国内DSP的产值并不高;而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如行动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSP solution。虽然目前DSP的主要应用产品的市场都是由国际半导体大厂所控制，但是我国在的扶植下，本土厂商积极投入研发资源，以消费性产品作为进入DSP市场的一个敲门砖，也必将在DSP市场上争得一席之地。

   DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。 

DSP器件的特点 

1．高速、高精度运算能力 

（1）硬件乘法累加操作，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 

（2）哈弗结构和流水线结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互的存储器，每个存储器编址，访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。

（3）硬件循环控制。大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。 

（4）特殊的寻址模式。DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。 

（5）具有丰富的外设。DSP具有DMA（有一组或多组的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上）、串口、定时器等外设。 

2．强大的数据通信能力。 

3．灵活的可编程性。DSP骗内设置RAM和ROM，可以方便地拓展程序、数据及I/O空间，同时允许ROM和RAM直接数据传送。可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。 

4．低功耗设计。DSP可以工作在省电状态，节省了能源。 

五 DSP技术在各领域的应用 

1 DSP在电力系统自动化中日益渗透 

（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，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。 

（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，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的丰富资源有机的结合起来，做到既快速实时并且功能强大。 

（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。 

2 、DSP已成为数字通讯技术领域的核心 

 （1）DSP在多媒体通信中的应用 

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。 

（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。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、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 、DSP在工业控制领域的应用 

  (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。 

  (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。 

 4、DSP在汽车电子系统及其他应用领域 

   汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。如今，汽车愈来愈多，防冲撞系统已成为研究热点。而且，利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。应用DSP的领域可以说是不胜枚举，电视会议系统里，也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展，将会出现许许多多的DSP新应用领域。 

三、 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、数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中将占主导地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。 

  2、DSP 和微处理器的融合：微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。

  3、DSP 和高档CPU的融合：大多数高档GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。 

  4、DSP 和SOC的融合：SOC(System-On-Chip)是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP 和系统接口软件等。

  5、DSP 和FPGA的融合：FPGA是现场编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。

四、心得 

在未来的发展上，国内的业者如欲进入DSP领域，在目前这个垄断市场情况相当明显的情势之下，应避免与国际大厂在其擅长的领域正面交锋，若能另辟市场，选择利基产品切入，例如消费性电子产品市场，则尚有机会在DSP市场一搏，目前国内已有相当不错成绩的DVD产品即为一证明。 

  整体来看，DSP应用在通讯领域、数字影音的产品将越来越普及，使得相关市场需求越来越大，未来DSP市场竞争将越趋激烈。虽然目前DSP的主要应用产品的市场都是由国际半导体大厂所控制，但是我国在的扶植下，本土厂商积极投入研发资源，以消费性产品作为进入DSP市场的一个敲门砖，也必将在DSP市场上争得一席之地。