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DSP技术的应用现状和发展
Application Actuality and Development of DSP Technology
www.mct.com.cn 测控在线         2005-11-03
（北京航空航天大学通信与测控技术研究所，北京 100083） 张晓林，路 程，崔迎炜
摘要：本文简要介绍了数字信号处理（DSP）技术的发展历程；讲述了DSP系统的结构和特点；介绍了国内外DSP技术的应用现状，并且描述了数字信号处理技术的发展前景和趋势。
关键词：数字信号处理；DSP系统；大规模集成电路
中图分类号：TN911.72
文献标识符：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
数字信号处理（DSP,digital signal processing）是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。
数字信号处理器是在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。近年来，随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越来越强大，使得信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那样需要过多考虑硬件。由于它的出色性能，DSP目前被广泛应用于数字通信、信号处理、工业控制、图像处理等领域。
1 DSP的发展历程
在数字信号处理技术发展的初期（上世纪50～60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。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。1980年，日本NEC公司推出的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的发展，1982年美国德州仪器公司柜橱世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。TI公司随后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已经推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。
美国Analog Device公司在DSP芯片市场也有一定的份额，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定点的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮点DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。
20世纪80年代以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，从运算速度来看，MAC（一次乘加运算）时间已经从80年代初期的400 ns降到了10 ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。DSP芯片的引脚数量从1980年的64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加也加强了结构的灵活性[1]。
2 DSP系统和芯片的基本结构
2.1 DSP系统的基本结构
系统所需要处理的信号一般为自然条件下的模拟信号，这就需要首先将输入的信号转换为数字的电信号。这就需要A/D（模数转换）模块，A/D模块将模拟信号转换为数字的比特流，输入给DSP系统，DSP系统对数字信号进行某种处理之后，一般还需要输出为模拟信号来供人们使用，所以又用到了D/A（数模转换）模块，将处理后的数字信号转换为模拟值。整个系统的构成如图1所示。

数字信号处理结构稳定性好，可重复性好，可以大规模集成，使得信号处理功能更复杂，手段更灵活，精度更高。
2.2 DSP芯片的结构特点[2]
DSP处理芯片，为了适应信号处理运算的需要，结构与通用的其他计算机或控制处理器相比，有较大的不同，主要的几点为：
(1)具有专用的算术单元，如硬件乘法器，DSP内部设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。
(2)具有特殊的总线结构——哈佛结构。这种结构使DSP具有独立的地址总线和数据总线，可以同时取地址和操作数。
(3)流水处理。流水技术使多个不同的操作可以同时执行，处理器内将每条指令的执行分为取址、解码、执行等阶段，不同的阶段并行执行，提高了程序执行的效率和速度。
(4)高速的片内存储器。DSP芯片一般内部集成有程序和数据存储器，访问速度快，缓解总线接口的压力，提高程序执行的速度。
一些其他特殊功能的DSP芯片还具有一些专用的设计结构，这里不一一列出。总之，DSP功能上的特点很大程度上是针对数字信号处理算法的特点，针对性地组成专用的结构，以满足处理的需要。
3 DSP芯片的产品和市场
3.1 应用领域和市场
在近20多年的时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处理、通信、语音、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。
DSP主要应用市场为3C（communication、computer、consumer——通信、计算机、消费类）领域，所占市场比例超过90%，并且总体市场规模在不断扩大。在数字化、个人化和网络化的推动下，预计未来的年均增长率高达40%。在全球的DSP市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场的45%份额，其次是朗讯(28%)、ADI(12%)、摩托罗拉(12%)、其他公司(3%) [3] 。
3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其产品
（1）TI公司。
TI（Texas Instruments）公司在业界一直处于领先的地位。近年，TI在原来的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上又推出了3种高性价比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。这3种芯片，在我国的信号处理硬件领域应用也是非常广泛，下面作些简要介绍：
TMS320C2000系列主要用于工业控制领域，提供了全系列的高性能控制芯片，代码运行效率高。除了较强的控制功能之外，还提供了方便的接口与高性能外围器件相连。主要型号有TMS320C24X和28X系列。
TMS320C5000系列为高性能的低功耗定点DSP芯片。处理速度最高可以达到900 MIPS，功耗很低，可以达到0.33 mA/MHz。非常适合移动和手持系统的应用。主要有TMS320C54X和55X系列。
TMS320C6000系列为新一代高性价比DSP芯片，是高端DSP处理器的代表。C6000系列的DSP定点运算可以达到1200到8 000 MIPS（百万条指令/秒），浮点运算可以达到600到 1 800 MFLOPS（百万次浮点操作/秒）的运算速度。主要有定点系列的TMS320C62X和浮点系列的TMS320C67X。TMS320C64X为TI最新推出的高性能定点DSP处理器，时钟速度提高到1 GHz，单片处理能力可达到8 000 MIPS。
（2）Analog Device公司。
ADI公司的DSP目前主要分为3个系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。
SHARC系列一直在雷达、声纳信号处理等领域享有很高的声誉，很多商用、军用的信号处理机中都可以看到SHARC的身影。单片处理能力有限的SHARC之所以能够在通信信号处理领域有这么高的声誉，完全是由于ADI优秀的片间互连技术（LINK口），利用这个LINK口可以很方便地将几片、几十片SHARC连接起来组成DSP阵列，从而在单片处理能力达不到要求的场所利用DSP阵列就很容易达到了。
Blackfin是近几年推出的针对性能要求比较高，同时功耗要求又比较低的场所。它所具备的优点很适合在便携式通信产品中应用。
TigerSHARC是从SHARC改进的高端DSP，它的出现是ADI公司的DSP在高端领域应用开创了历史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主频高达600 MHz，处理能力高达14.4 GOPS，还有超大容量的RAM，使它一出世就在高端领域脱颖而出。尤其适合软件无线电的应用。
DSP已经发展成为了一种成熟的技术，也是一种成熟的产品，它在数字信息时代占据越来越重要的位置，所以其市场的扩展还存在着巨大的空间。DSP的性能、价格和功耗是决定其市场的三个重要因素。挑战更高的性能，尽可能降低价格和功耗，一直是DSP追求的目标。
4 DSP处理系统的发展现状
4.1 国际发展现状
简略国际DSP处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。
以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的处理能力，同时集成了8片32 MB的SDRAM，数据吞吐600 MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC处理器，工作频率400/500 MHz，两级缓存256K×64 bit，最高具有16MB的SDRAM。
ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国Transtech DSP公司的TP-P36N为例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟 250 MHz，具有6～12 GFLOPS的处理能力。
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。
4.2 我国发展现状
随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备，取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。
以我国某电子技术研究所研制的DSP雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSP21060和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理 [4] 。以FFT算法为例，将任务分为3个流水处理过程：FFT、复数乘法、IFFT，实现多片DSP组成并行处理。在33 MHz时钟下，1 024点处理通过时间为0.7 ms，可以实现单通道数据率为1 MHz，双通道并行工作为2 MHz。
国内的某大学所研制的基于TMS320C6201的高速实时数字信号处理平台，实现基-2的复数FFT，允许输入数据的动态范围16-bit，可以实现59 μs内完成512点的FFT，130 μs内可以完成1 024点的FFT。
但是，应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距。而且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口，这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机PCB板级设计和制造也存在一定困难，也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神，继续的刻苦努力。
5 DSP技术展望
5.1 向着集成DSP方向发展
目前的DSP多数基于RISC（精简指令集）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。现在各DSP厂纷纷采用新工艺，将几个DSP核、MPU核、专用处理单元、外围电路单元和存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。
5.2 内核结构进一步改善
多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、超长指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构在高性能处理器将占据主导地位。
5.3 进一步降低功耗和几何尺寸
DSP的应用范围已经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于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。随着CMOS的发展，提高DSP的运算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。
5.4 与可编程器件结合
DSP在许多新的领域的应用要求它借助PLD或FPGA来满足日益增长的处理要求。与常规DSP器件相比，FPGA器件配合传统DSP器件可以处理更多的信道，来满足无线通信、多媒体等领域的多功能和高性能的需要。
参考文献：
[1] 魏晓云，陈杰，曾云. DSP技术的最新发展及其应用现状[J]. 半导体技术,2003，28(9).
[2] 任丽香，马淑芬，李方慧. TMS320C6000系列DSPs的原理与应用[M].北京：电子工业出版社. 2000-07.
[3] 戴敏. 数字化时代的基石——DSP发展应用纵横谈[J].
[4] 蒋志焱，黄银河，夏映玲. 基于DSP的雷达数字信号处理通用模块[J]. 现代雷达，2003(4).
[5] www.ti.com.
[6] www.analog.com.
作者简介：张晓林（1951－），男，北京人，博士，北京航空航天大学教授、博士生导师、电子信息工程学院院长，中国电子学会常务理事，电子学报、航空学报、遥测遥控学刊编委，主要研究方向：通信与电子系统，无人飞行器遥控遥测，集成电路设计的科研、教学工作。