dsp技术的发展趋势论文

从TI第一颗DSP诞生至今已有25年，成就了无数辉煌。多核、SoC的发展方向使DSP将继续高速成长，同时，它的发展也正在面临来自FPGA、ASIC的挑战。DSP概念最早出现在上个世纪60年代，到70年代才由计算机实现部分实时处理，当时主要用于高尖端领域。由于DSP技术与大量运算相关，每秒完成百万条指令运算就变为一个新的单位MIPS(每秒百万条指令)。80年代，有些公司陆续设计出适合于DSP处理技术的处理器，于是DSP开始成为一种高性能处理器的名称。TI在1982年发布了第一颗DSP芯片，名为TMS32010，这是一个处理速度达5个MIPS的处理器。加入TI公司有12个年头的清华才俊郑小龙，从技术应用工程师打拼到负责DSP在中国的销售业务，熟谙DSP圈里的事。他谈起了DSP诞生的故事：那时只有两种处理器，一种是作为PC核心的CPU，另一种是微控制器MCU。这两种处理器的在进行大量运算时都面临技术瓶颈，业内就在考虑“是不是需要一种高速的数字信号处理的器件”。那个时候，数字信号处理的理论已经有了，像滤波器、编码解码等对于乘加结构要求很高，如果用CPU来处理的话，指令非常多、效率比较低；而如果在处理器中就有这样一个乘加结构，数字滤波器就可以实现实时的处理结果。DSP刚开始出现时，采用了NMOS工艺，然后由于功耗的原因，很快转到CMOS，例如C54、C55等型号中的“C”就表示CMOS。那个时候成本还是比较高的，实现每个MIPS的成本高达10～100美元，成为商品化的障碍。发展轨迹：DSP历史的三个阶段TI首席科学家兼DSP业务开发经理方进 (Gene Frantz)在年前接受电子工程专辑采访时曾这样说过，“DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行；随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化；接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能(enablement)的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。” 80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。 到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于内核 DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。 21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。DSP演进图：性能、价格、功耗是不变的追求无疑，CMOS工艺的改变大大降低了功耗，而且随着工艺节点从3微米、微米、微米以及未来的纳米工艺，低功耗是DSP一个不变的特性。同时，DSP的主频不断得到提升，从开始的5MHz，到100MHz、200MHz。“一个关键的转折点出现在90年代中期，TI开发出多并行处理结构，1997年推出了C6000 DSP，有8个并行运算单元，原来每个单元性能可达200MPS，这样一下子提高了8倍到1600 MIPS。” 这些运算单元可以有不同的组合，分为2组、每组4个，包括逻辑处理、数字处理、乘法运算、移位处理四类单元，分别适合不同的应用。这一时期，DSP已广泛用于数据通信、海量存储、语音处理、消费音视频产品等，特别是在蜂窝电话领域的成功。郑小龙说道，“今天针对基站应用的C6?16主频达到、处理能力超过8000MIPS。” 性能、价格、功耗永远是DSP追求的目标。在这个目标的驱动下，每隔十年DSP的性能、规模、工艺、价格等就会发生一个跃迁。如表1所示，DSP的演进同样遵循着摩尔定律，伴随着集成度的不断提高，是性能的提升、价格的下降。表1：每隔十年DSP性能、规模、工艺、价格的变动。 针对DSP功耗的变动趋势，存在一个Gene定律。从图1可见，1982年每MIPS的功耗为250mW，到1992下降为，而到2000年仅为，2004年到，而预计2010年将挑战。Gene定律认为，DSP功耗性能比每隔5年将降低10倍。

数传信号处理是一个一个大多数现代的电子系统的部份高度易膨胀的领域。 如此系统的例子是移动的沟通, MP3/激光唱碟/ 数字化视频光盘驱动器和被例如心律调整器和助听器和运算法则的例子医学的系统是不同类型的过滤，编码和图像承认。 时常一个真正的时间需求存在, 哪一极限可能性运行在一部标准的计算机中处理的信号。 标准的处理器是被发展包括宽范围的申请而且能因此被用于许多系统而且给高的柔性替代选择。 然而，许多申请有在举例来说生产和耗电量上的需求以要求申请特性建筑学。 这课程将会提供对一件运算法则规格如何能从一给定组的标准被实现的洞察。课程的主要部份将会把重心集中在能被实现的申请特性建筑学的设计在或之上再结构的硬件, 举例来说 FPGAs,或当一个订制的线路,也就是 ASIC 。 标准的信号处理器和他们的关系对其他的解决也将会被讨论。 内容是: 1. 信号的描述和表现处理运算法则: 信号-流程,数据-流程和依赖曲线图和重复的观念跳跃。 2. 建筑的变形–为高的生产及[或] 低的耗电量处理的再时间安排，流水线流通和平行的观念。 不同类型的建筑学 , 像是时间- 多重发讯和被映射的硬件和变形如何能在他们之间被做使用展开的观念和折叠的。 3. 运算法则变形–运算法则的复杂能如何被减少并且正在藉此经过力量减少的观念达成比较有效率的落实。 4. 不同的数系统,他们被用的方式，而且他们如何影响落实和表现。

随着MP3音频压缩和CD技术的普及，消费者开始希望这些功能和便利也能在包括汽车在内的其他常用设备上实现。因此，制造商开始将数字媒体处理技术引入汽车，使驾驶员和乘客可以数字化地获得娱乐和信息。

半导体技术是将数字媒体引入汽车的核心。随着技术的成熟，制造商已经能够提高数字汽车音频设备的性能和可用性。车载收音机数字信号处理是将数字媒体渗透到车载收音机中的技术。数字信号处理器(DSP)通过在汽车娱乐系统的边带和中频信号中工作，使汽车收音机从单一的音频处理器发展成为复杂的高科技信息和娱乐中心。

为什么是数字信号处理？

车载收音机行业正在从模拟信号处理向数字信号处理发展，因为它可以帮助车载收音机制造商提高收音机性能、音频质量，提供更大的灵活性和更快的设计周期，并加快上市时间，简化生产和稳定运营环境。与20世纪90年代发展起来的最早的汽车DSP相比，如今的汽车DSP可以在单个芯片上提供更高级别的功能。另一个趋势表明了汽车DSP发展的重要性，即在较早的信号转换处理阶段，将无线电信号转换为数字格式。

模数转换在信号处理流程中向前移动，从靠近输出端的基带端到更靠近提供射频信号的天线。复杂的交互式模拟滤波器已经被数字信号处理电路所取代。数字处理的其他优点是可以提高无线电性能和音频质量，通过DSP实现更灵敏的控制和全部音频处理，实现无限线性化性能。使用复杂的数学算法通过相位分集性能改善无线电接收。

数字接收将越来越成为一项重要的功能，未来很可能将射频信号直接数字化。尽管仍将受到发射系统模拟性能的限制，但通过数字域中的模拟信号处理，性能质量将得到显著提高。为了提高在各种环境中的性能，各种数字传输方案正在开发中。数字无线电系统可以优化各种传输模拟信号的接收。通过在数字域中执行信号处理，与今天的模拟接收机相比，它的性能将大大提高。

高清收音机和卫星收音机是两种新兴的数字发射和接收系统。高清广播(也称为带内同频道或IBOC)用于在现有频谱的边带中数字传输地面调幅/调频广播信息，为广播公司提供了一种简单升级的数字传输方法。它也适用于配备中频车载DSP的无线电接收机，因为它可以通过添加高清协处理器轻松升级。卫星无线电信号由供应商在千兆赫的S波段传输。卫星无线电广播公司可以向全球观众广播，而对信号质量几乎没有损害。和高清收音机类似，卫星发射可以满足提供汽车定位信号的要求，让驾驶员可以接收到实时的天气预报和路况信息。

另一个重要的发展趋势是增加硬件模块与软件功能的集成，减少硬件模块的数量。汽车DSP中包含了更多的软件功能。比如飞利浦SAF7730就是一种软件无线电DSP，在一个芯片上集成了5个DSP内核，通过软件实现信号处理。最新的基于中频的汽车DSP完全可以实现中频级的处理，完成模块中软件块的主要任务。这些芯片集成了射频前端、放大器、MP3和CD应用。这种芯片可以以较低的原材料成本提供高性能无线电接收和小尺寸模块。更多的软件组件可以提供更大的灵活性，让车载收音机供应商可以在同一个基础平台上设计不同的组合功能，满足用户的需求。这种平台设计方法不仅提高了产品产量，而且提高了可靠性。这种芯片也将满足未来十年汽车音响系统CD、MP3功能的主流市场需求。

预计未来DSP将进一步加强集成，实现主要的车载音频功能。支持系统和宏控制系统将嵌入音频压缩处理和一个32位单片机。大多数功能可以通过内部系数或不同的只读存储器代码进行修改，而无需改变硬件应用。通过专注于一个平台设计，系统设计人员不再需要努力解决主要由硬件引起的质量问题。尽管由于处理能力的限制，仍然会有硬件限制，但通过ROM代码开发，新的独特功能将很容易实现。

软件DSP

基于软件的数字信号处理器扩展了简单的解决方案，使汽车收音机制造商能够添加新的功能和更显著的功能，与通常基于硬件处理的收音机集成电路的重新设计相比，节省了时间和成本。

例如，汽车无线电制造商现在要求提高多径性能和天线分集。他们还面临着许多新的半导体特性和广播标准。所有这些都可以通过使用基于软件的架构和半导体和音频软件库或中频概念轻松实现。厂商可以通过简单的软件升级，利用新功能来改善收音机的功能，提高产品的特异性，提高收音机的性能。

但是应用软件无线电需要很大的处理能力。例如，飞利浦在其新车CarDSP中嵌入了5个DSP，提供约650MIPS的能力。新处理器带来了一系列的音频改进，包括音乐改进、自适应低音炮2代、lifevibes“purestudio”、SRS“CircleSurroundII”等等。利用均衡功能可以实现每辆车的声音优化。单调谐器的改进提高了收音机和天线的性能，包括更好的邻道抑制和增强的多径抑制，而双调谐器提供了最合理的多径降低效果，软件无线电算法可以控制来自两个调谐器的输入信号。

为了支持双调谐器，飞利浦提供基于IF的DSP，如SAF7730，管理相位分集和RDS背景扫描，同时实现数字广播和音频功能。它提供了高度创新的集成水平。它将模拟和数字模块(混合信号)结合在同一个车载DSP中，包括模拟中频输入、数字无线电接收和音频处理、采样率转换器以及数字和模拟音频输出。信号处理完全由软件实现。数字中频车载DSP市场的高度集成化也非常独特。它扩展到具有成本效益的高密度数字中频解决方案，并通过高密度和最先进的COMOS18收缩工艺实现。

软件DSP提供了软件解决方案的所有灵活性。在这方面，飞利浦为用户提供了一套先进的音频和无线电处理软件库，所有这些软件都可以嵌入SAF7730。此外，软件无线电系统提供的灵活性使用户能够整合自己的软件知识产权，获得更多的产品独特性。

飞利浦SAF7730提供自适应低音炮2代、音乐改善、多径抵消和天线分集，带来出色的收音机接收和音质。收音机的软件DSP大大改善了目前传统收音机广播的音质，为收音机制造商提供了空调整收音机设计以适应未来数字收音机的空间。高清收音机的应用可以通过使用IIS输入/输出来实现。事实上，首款性价比高的高清收音机即将开始量产。

为未来做准备。

下一代数字信号处理器支持车载收音机中的压缩音频。它的基本结构是一样的，只是中频输入会减少，SRC、ADC、DAC的集成度会增加。单片机可以最大限度地减少光盘机构的设计和系统控制能力。单片机内嵌32位ARM7TDMI处理器，其中包含各种外设实现系统功能，如电台和音频信号处理以及压缩音频解码等。，这样更容易完成软硬件设计和应用开发。嵌入式闪存可以通过修改代码进行升级。ARM微控制器将实现对CarDSP的宏控制。但在目前的市场条件下，CarDSP仍然只用于高端车型，主流车载收音机需要支持模拟解决方案，而这款DSP将针对主流车载收音机。

鉴于发射系统处理模拟信号的能力在性能上仍然有限，未来随着IC的小型化和CarDSP性能的提高，可能很快就能看到射频信号从无线电波直接数字化。这将使最终的模拟无线电信号在数字领域得到完全处理。DSP将继续为车载收音机提供扩展的收听范围，让用户可以在更宽的频段接收更多的电台，而无需不断调整收音机以获得更好的接收效果。DSP将使传统的模拟调幅、调频广播更清晰，音质更好，干扰更低。

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要实现什么啊？