DSP的发展及应用教学内容.docx

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DSP的发展及应用教学内容

DSP的发展及应用

•数字信号处理DSP芯片的发展和应用

摘要

本文概述了数字信号处理的发展历程，介绍了DSP采用的关键技术，并详细分析了DSP在各领域的应用。

数字信号处理DSP芯片的发展与应用

一、数字信号处理器的发展历史

20世纪60年代以来，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得到迅速的发展。

从第一片DSP芯片的出现到现在，伴随着信息技术革命的脚步DSP芯片已经走过了30年的光辉岁月，在过去的三十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

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。

DSP的发展大致分为三个阶段：

（一）第一阶段：

70年代理论先行

在DSP出现之前，数字信号处理只能靠MPU（微处理器）来完成。

由于MPU的处理速度较低，无法满足高速实时的要求。

因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。

但是那时DSP仅停留在理论上，即使是研制出来的DSP系统也是由分立元件构成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。

（二）第二阶段：

80年代产品普及

随着大规模集成电路技术的发展，1982年诞生了世界上第一片DSP芯片。

这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽然功耗和尺寸稍大，但是运算速度比MPU提高了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

DSP芯片的问世是电子信息技术的一个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型向小型化迈进了一大步。

到80年代中期，随着CMOS技术的进一步发展，基于CMOS工艺的第二代DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，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，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。

（三）第三阶段：

90年代突飞猛进

90年代以来，DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。

现在的DSP属于第五代产品，与第四代相比，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日常消费领域。

二、DSP芯片的关键技术

DSP是一种嵌入式处理器，支持单时钟周期的“乘加”运算。

DSP具有体积小、功耗小、使用方便、实时处理迅速、处理数据量大、处理精度高、性价比高等优点。

DSP内部采用了5种关键技术：

1、采用哈佛结构体系或改进的哈佛结构体系。

DSP处理器几乎毫不例外的采用了哈佛结构。

哈佛结构把程序代码和数据的存储空间分开，并有各自的地址和数据总线，每个存储器独立编址和数据总线，用独立的一组程序总线和数据总线进行访问。

如果程序代码存储空间与数据存储空间之间还可以进行数据交换，则称为改进的哈佛结构。

这种结构可以进行并行数据操作。

2、采用多总线结构。

多总线结构可以同时读取多组数据和存储数组数据，即同一时钟周期内可移执行多个操作指令。

1）采用流水线操作。

由于DSP哈佛结构指令的各个阶段可以重叠进行，这样对每一条指令似乎都是在一个周期内完成，可以把指令周期减到最小，增加数据吞吐量。

2）采用硬件乘法器和高效的MAC指令。

DSP芯片都有硬件乘法器，使得乘法运算做到一个周期内完成，与之配合的指令为MAC乘法累加指令，它可以可以在单周期内取两个操作数相乘，并将结果加载到累加器。

3）采用独立的传输总线及其控制器。

处理器高速处理速度必须与高速的数据访问和传输相配合。

而且为不影响CPU及其相关总线的工作，DSP的DMA单独设置了传输总线及其控制器，因此可以独立工作。

三、DSP的应用领域

30年来，由于集成电路的发展，同时也因巨大的市场需求，DSP得到飞速的发展，DSP在数字信号处理、通信、军事、自动控制、医疗、图像视频处理等诸多领域得到广泛应用。

DSP芯片的成本越来越低，性价比日益提高，应用潜力巨大。

DSP芯片的应用有：

1、信号处理——如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；

2、通信——如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；

3、语音——如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等

4、图形/图像——如二维或三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等

5、军事——如保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、导弹制导等；

6、仪器仪表——如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等

7、自动控制——如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；

8、医疗——如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等

9、家用电器——如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等

四、DSP的典型应用

（一）DSP在雷达领域应用

DSP技术目前主要用于雷达的信号处理机部分，主要完成动目标检测、动目标跟踪、脉冲多普勒处理、恒虚警检测等重要内容以及旁瓣对消、旁瓣消隐等抗干扰技术的实现。

目前主要采用美国TI公司和ADI公司的系列产品。

由于雷达系统越来越要求在结构上具有可扩展和可重构的能力。

因此，未来会越来越多采用数字技术，DSP的应用将越来越广泛，因此它还是很有发展前途的。

此外，也可以用于相控阵雷达天线的波束控制、接收机AGC的控制和实现、频率综合系统、计算机系统、随动系统的控制等等。

下面重点介绍一下DSP在雷达信号处理方面的应用：

快速傅里叶变换（FFT）是雷达信号处理的重要工具。

DSP内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证DSP在相同条件下，完成FFT算法的速度比通用处理器要快2到3个数量级。

因此，在雷达信号处理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，实现信号的时-频域转换，回波频谱分析，频域数字脉冲压缩等。

FIR滤波器是雷达信号处理中常用设计之一。

在动目标指示（MTI）或者动目标检测（MTD）中，采用FIR滤波器可以滤除杂波干扰，提高信杂比，然后通过恒虚警处理（CFAR），完成目标的检测。

在机载多普勒雷达中，为了抑制地杂波的干扰，采用了复杂的自适应滤波器组。

在阵列信号处理以及波束形成中，需要进行数据校正及加权系数计算和控制，均需要大量的复数运算。

这些复数加权滤波器、多普勒滤波器组或者矩阵运算归根到底是复信号的乘法累加运算，均可根据不同算法的需要，采用DSP进行灵活编程实现。

数据重采样主要是为了得到雷达回波数据局部细节信息，实现数据校正或者配准。

例如在SAR图像处理中，距离徙动校正中的多点插值算法，InSAR进行图像配准之前进行8倍像素细化，均可采用DSP完成一维和二维的插值运算。

DSP在参数估计方面也得到了广泛应用。

典型的应用实例是SAR成像处理中的最大对比度算法。

最大对比度算法是一种优秀的多普勒调频斜率估计方法，它通过对方位向数据的重复脉冲压缩，最后通过计算对比度，得到最优的普勒调频斜率。

其中，采用DSP完成大量的FFT、IFFT和复数乘法，实现实时的参数估计。

此外，DSP可以利用其存储器管理和计算能力，分析杂波强度、面积、杂波的多普勒频率、起伏分量以及地杂波等，建立杂波图，完成雷达回波的统计分析、信息保存及存储器控制等任务，最终实现CFAR处理。

由此可见，DSP在雷达信号处理器设计中具有很大的灵活性和适用范围，它不仅增强了信号处理的速度和能力，大大提高了信号处理系统的性能指标，而且适合多功能可编程并行处理和阵列处理，满足高速并行处理的要求。

（二）DSP在移动通信领域的应用

DSP技术在2G时代就已经开始应用，最典型的就是以DSP芯片作为蜂窝电话的核心。

我们知道，所有第二代（2G）数字蜂窝电话都是基于双处理器体系结构的；即包含一个数字信号处理器（DSP）和一个简单指令集计算机（RISC）微控制器（MCU）。

其中，DSP用来实现调制解调器和通信协议栈中物理层协议的功能；而MCU则用来支持用户操作界面，并实现通信协议栈中上层协议的各项功能。

在已有的2G手机市场中， DSP芯片以TI公司生产的TMS320C54X系列为主，65%的蜂窝电话采用了这类芯片。

在不同的多址模式中，DSP芯片可负责实现不同的功能：

在时分多址（TDMA）模式手机中，DSP芯片负责实现数据流的调制解调，利用编解码实现传输误码纠正并维持通信链路的稳定性，对数据进行加密、解密以保证通信的安全性，对话音数据进行压缩和解压缩。

在码分多址（CDMA）模式手机中，DSP芯片负责实现符号级功能，如前向纠错、加密或语音压缩和解压缩。

与此同时，DSP芯片还可以负责控制ASIC硬件；其中，后者负责对扩频信号进行调制解调及后处理。

在早期的2G手机中，这些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片实现，其时钟工作频率大约为40MHz。

TMS320C54X系列在2G中的优势是很明显的。

而在2.5G手机中，语音编码芯片较以前更为复杂，数据速率进一步上升，DSP芯片的时钟工作频率也随之上升到了超过100MHz。

数字技术的一大优点，就是可以支持多种数据通信业务。

然而，由于受到带宽的制约，2G移动电话只能为用户提供几种相对简单的数据通信业务。

在大多数数字移动通信标准中，最高的数据传输速率仅为9.6至14.4千比特每秒（Kbps）。

尽管，如此低速率的数据传输能力已经可以满足最基本的数据应用的要求，但是为了实现包括互联网接入在内的高级业务，就必须提供更高速率的数据传输能力。

这就是2G移动通信标准向2.5G和3G移动通信标准转变的根本动力。

同时，DSP芯片对于3G移动通信具有适用性。

DSP技术是随着时代的进步迅速发展的，目前DSP领域出现了片内集成多个处理器的新型DSP芯片，其结构是将一个通用的CPU核与一个或多个专用的DSP并行单元集成在同一芯片上。

这种集成度的提高极大地提高了并行算法的效率，从而可以有效地利用信号处理带宽，达到以往需要多处理手段或实现专门功能的ASIC芯片才能实现的各项功能。

目前先进的可编程DSP大约可提供数百到上千MOPS的运算速度。

实时软件无线电系统中基带以下部分完全可由DSP实现。

因此，以DSP为核心的软件无线电系统对3G通信具有极大的适用性，例如：

方便的可量测性、单个信道的低耗费、简便的软硬件升级性、用于任何无线协议的单一结构等等。

总之，以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统，集理数据采集、传输和高速实时处为一体,能充分体现数字信号处理系统的优越性。

目前,DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本、低功耗的方向发展,各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出,应用技术和开发手段也在不断完善。

DSP与其他处理器的结合运用，优势互补也成为一种趋势。

目前DSP技术的发展可以说是日新月异，它的应用领域就像一个大金矿，远还没有探测完。

当前对数字信号处理问题的关心仍然是产业界流行的趋势。

相信DSP技术的发展和应用将对我们的工作和生活以及观念产生更大的影响，值得我们信息技术人员为之奋斗。