摘要：本文結(jié)合理論分析了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，闡述了DSP 在當(dāng)下應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景應(yīng)用情況，并對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
      關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；圖形圖像；電子系統(tǒng)；發(fā)展前景

Analysis of Innovative Application and Prospect of DSP Technology
Wu-Lei

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China )           

      Abstract: In this paper, mainly analysis of the application of digital signal processing (DSP) technology in several fields based on theory, describes the application of DSP in the present application fields and market prospects, and prospects the development of digital signal processing technology in the future.
      Key words: Digital signal processing; graphic images; electronic   systems; development prospects

      1 引言
      DSP即為數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing)，是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器。它的工作原理是將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再用數(shù)學(xué)方法處理此信號(hào)，得到相應(yīng)的結(jié)果。自從數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)問世以來，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點(diǎn)，已在圖形、圖像處理，語(yǔ)音、語(yǔ)言處理，通用信號(hào)處理，測(cè)量分析，通信等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。隨著成本的降低，控制界已對(duì)此產(chǎn)生濃厚興趣，已在不少場(chǎng)合得到成功應(yīng)用。DSP數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)處理器的馮•諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度。其處理速度比最快的CPU快10-50倍。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP 已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，被譽(yù)為信息社會(huì)革命的“旗手”[1]。

     2 DSP技術(shù)的發(fā)展歷程
      DSP發(fā)展歷程大致分為四個(gè)階段：第一階段是70年代理論先行，第二階段是80年代產(chǎn)品普及，第三階段是90年代突飛猛進(jìn)，第四階段是21 世紀(jì)再創(chuàng)輝煌。
      在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號(hào)處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎(chǔ)。而DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統(tǒng)也是由分立組件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航大部門。
      隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度成倍提高，成為語(yǔ)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)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。

      90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件?，F(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍組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?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域，前景十分可觀[2]。
2 DSP技術(shù)在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用
      2.1通信領(lǐng)域的應(yīng)用
      近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP已經(jīng)成為信號(hào)與信息處理領(lǐng)域里一門十分重要的新興學(xué)科，它代表著當(dāng)今無線系統(tǒng)的主流發(fā)展方向?，F(xiàn)在，通信領(lǐng)域中許多產(chǎn)品都與DSP密切聯(lián)系，例如，Modem、數(shù)據(jù)加密、擴(kuò)頻通信、可視電話等。而尋找DSP芯片來實(shí)現(xiàn)算法最開始的目標(biāo)是在可以接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)算法做仿真，隨后是將波形存儲(chǔ)起來，然后再加以處理。圖1所示，給出了一個(gè)典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，使得移動(dòng)通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)[3]。由于采用DSP 技術(shù)，蜂窩電話的更新?lián)Q代變得更為容易，只需在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過軟件的不斷升級(jí)生產(chǎn)各式各樣的新款手機(jī)。
 

      輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的兩倍。
      2.2 儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用
      DSP已經(jīng)涉足測(cè)量?jī)x表和測(cè)試儀器行業(yè)，而且大有取代高檔單片機(jī)的趨勢(shì)。使用DSP開發(fā)測(cè)量?jī)x表和測(cè)試儀器可將產(chǎn)品提升到一個(gè)嶄新的水平。新款DSP豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件電路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的SOC（System On Chip,即片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)。 
      儀器儀表的測(cè)量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用DSP芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。以TMS320F2810為例，其高效的32位CPU內(nèi)核、優(yōu)異的12位A/D轉(zhuǎn)換器、豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器以及靈活的指令系統(tǒng)為我們開發(fā)快速、高精度儀器搭建了廣闊的平臺(tái)。
      目前DSP正處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，儀器儀表是DSP的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，相信DSP的應(yīng)用會(huì)推進(jìn)儀器儀表的技術(shù)革新。
      2.3 PC領(lǐng)域中的應(yīng)用
      可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSL Modem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。預(yù)計(jì)在今后的PC機(jī)中，一個(gè)DSP即可完成全部所需的多媒體的處理功能。
       2．4 全新數(shù)碼助聽器中的應(yīng)用
      由于傳統(tǒng)助聽器線路功能的局限性，無法滿足大部分聽障患者的要求，這個(gè)使命理所當(dāng)然的留給了全數(shù)碼助聽器。在國(guó)外，助聽器的技術(shù)正由傳統(tǒng)的電子放大電路逐步被DSP所取代。DSP具有強(qiáng)大的處理功能，能讓聽障患者聽到更清晰的、想要聽到的聲音，去除患者不想聽到的聲音，從而使現(xiàn)代的助聽器技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。數(shù)字信號(hào)處理是全數(shù)碼助聽器的核心部分。它為調(diào)整輸入/輸出特性和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性提供很強(qiáng)的靈活性 。
      2.5 圖形圖像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用
      DVD里應(yīng)用的活動(dòng)圖像壓縮／解壓縮用MPEG2編碼／譯碼器，同時(shí)也廣泛地應(yīng)用于視頻點(diǎn)播VOD、高品位有線電視和衛(wèi)星廣播等諸多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域里，應(yīng)用的DSP應(yīng)該具備更高的處理速度和功能。而且，活動(dòng)圖像壓縮／解壓技術(shù)也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構(gòu)圖像質(zhì)量，于是出現(xiàn)了對(duì)以視覺感知特性為指導(dǎo)的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現(xiàn)，要求相應(yīng)的高性能DSP。最近，日本各大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)對(duì)于開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)VR系統(tǒng)，投入相當(dāng)力量，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像學(xué)CG生成3維圖形，迫切需要多個(gè)DSP并行處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)里的結(jié)點(diǎn)DSP單元，要求采用與并行處理相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。
      2.6 汽車電子系統(tǒng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域
      汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用DSP進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過DSP處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。應(yīng)用DSP的領(lǐng)域可以說是不勝枚舉，電視會(huì)議系統(tǒng)里，也大量應(yīng)用DSP器件。視聽機(jī)器里也都應(yīng)用DSP。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)許許多多的DSP新應(yīng)用領(lǐng)域。

      3 DSP技術(shù)的發(fā)展前景
      目前，DSP市場(chǎng)正處于高速成長(zhǎng)階段，在數(shù)字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動(dòng)下，2009年世界DSP市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額已超過800億美元，預(yù)計(jì)未來的年增長(zhǎng)率高達(dá)40%，在全球DSP市場(chǎng)中，僅就美國(guó)而言，據(jù)估計(jì)，美國(guó)有超過1億輛汽車、幾千萬臺(tái)個(gè)人通信裝置、每個(gè)家庭中就有5～20個(gè)聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì)的工廠使用DSP系統(tǒng)。中國(guó)已成為DSP芯片的最大市場(chǎng)，數(shù)碼相機(jī)、IP電話和手持電子設(shè)備的熱銷帶來了對(duì)DSP芯片的巨大需求。盡管DSP市場(chǎng)日趨成熟，但仍有成長(zhǎng)空間。互聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備個(gè)性化是當(dāng)前信息社會(huì)的特征?；ヂ?lián)網(wǎng)是PC時(shí)代全球經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，由于PC市場(chǎng)仍未飽和，市場(chǎng)潛力巨大，也是DSP潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。而手機(jī)、PDA、MP3播放器以及手提電腦等則是設(shè)備個(gè)性化的典型代表，這些設(shè)備的發(fā)展水平取決于DSP的發(fā)展。新的形勢(shì)下，DSP面臨的要求是處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲(chǔ)器用量更少。DSP的技術(shù)發(fā)展將會(huì)有以下一些走勢(shì)：
      （1）系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。
      （2）追求更高的運(yùn)算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸[4]。由于電子設(shè)備的個(gè)人化和客戶化趨勢(shì)，DSP必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。同時(shí)由于DSP的應(yīng)用范圍已擴(kuò)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(duì)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。按照CMOS的發(fā)展趨勢(shì)，依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，DSP運(yùn)算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。 
      （3）DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善[5]。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計(jì)以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)（SIMD）、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)在新的高性能處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地位。
      （4）DSP嵌入式系統(tǒng)[5]。DSP嵌入式系統(tǒng)是 DSP系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)[4> 。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，又具有應(yīng)用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。在許多嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的DSP，也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器(MCU)。因此，將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺(tái)，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。

      4 結(jié)束語(yǔ)
      目前DSP技術(shù)的應(yīng)可以說是日新月異，它的應(yīng)用領(lǐng)域就像一個(gè)是個(gè)大金礦，還遠(yuǎn)沒有探測(cè)完。當(dāng)前對(duì)數(shù)字信號(hào)處理問題的關(guān)心仍然是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢(shì)。每天，我們翻開一本新的雜志，都會(huì)有關(guān)于DSP技術(shù)最新發(fā)展的報(bào)道，數(shù)字化的到來對(duì)我們既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。相信DSP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)我們的工作和生活以及觀念產(chǎn)生更大的影響，值得為之奮斗。
      參考文獻(xiàn)
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      作者簡(jiǎn)介：吳雷（1984-），男，漢族，河南商丘人，河南理工大學(xué)碩士研究生，主要從事精密及超精密加工技術(shù)的研究。
      通信地址：河南省焦作市河南理工大學(xué)1241信箱  吳雷   郵編 454000
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