数字信号处理技术的发展与思考.docx

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数字信号处理技术的发展与思考

分类号（宋体小三加黑）密级

UDC编号

本科毕业论文（设计）

题目数字信号处理技术的发展与思考

院（系）

专业

年级

学生姓名

学号

指导教师朱建武

二○一○年五月

华中师范大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

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日期：

年月日

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本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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本学位论文属于

1、保密□，在_____年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

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学位论文作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

目　录

内容摘要…………………………………………………………………4

关键词…………………………………………………………………4

引言………………………………………………………………………4

1．DSP技术……………………………………………………………4

1.1数字信号处理及数字信号处理器………………………………4

1.2DSP系统构成……………………………………………………5

1.3DSP系统的特点…………………………………………………5

2．DSP的发展历程…………………………………………………………6

2.1DSP发展的三个阶段……………………………………………6

2.2DSP技术的发展现状……………………………………………6

3．DSP技术的应用现状…………………………………………………7

3.1DSP的应用领域…………………………………………………7

3.2DSP技术在生活中的应用的具体实例…………………………8

4．DSP技术的发展………………………………………………………10

4.1DSP技术的发展内涵……………………………………………10

4.2DSP技术的发展趋势……………………………………………11

5．对数字信号处理技术的思考…………………………………………12

5.1DSP的开发工具…………………………………………………12

5.2我国DSP的市场前景……………………………………………12

结语…………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………………13

附录………………………………………………………………………

数字信号处理技术的发展及其思考

内容摘要：

随着信息产业的发展，数字信号处理技术也处在迅速发展的时代，数字信号处理技术的的发展经历了三个发展阶段，各种DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP技术的应用几乎也遍及电子与信息的每一个领域，本文主要介绍了DSP技术的发展历程，应用领域、发展现状及发展前景趋势。

关键词：

DSP技术 DSP技术的发展历程应用现状发展趋势市场前景

引言：

数字信号处理（DSP,digitalsignalprocessing）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。

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DSP技术的出色性能，它正应用到我们生活的每一个角落，从军用到民用，从航空航天到生产生活，都越来越多地使用DSP。

一、DSP技术

（一）数字信号处理和数字信号处理器

数字信号处理（DSP,digitalsignalprocessing）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。

数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。

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]。

（二）DSP系统构成

数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍。

图1所示为一个典型的DSP系统。

输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。

DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。

最后，经过处理后的数字样值再经D/A（DigitaltoAnalog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。

（三）DSP系统的特点

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：

（1）接口和编程方便。

DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多；另外，DSP系统中的可编程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。

（2）稳定性和可重复性好。

DSP系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。

（3）精度高。

16位数字系统可以达到10-5的精度。

（4）特殊应用。

有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、V型滤波器、线性相位滤波器等等。

（5）集成方便。

DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。

DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。

此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善[2]。

二、DSP的发展历程

（一）DSP发展的三个阶段

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。

随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。

而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。

与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。

1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。

1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。

美国AnalogDevice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400ns降到了10ns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。

如外部存储器的扩展和处理器间的通信等[3]。

（二）DSP技术的发展现状

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。

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33MHz时钟下，1024点处理通过时间为0.7ms，可以实现单通道数据率为1MHz，双通道并行工作为2MHz。

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59μs内完成512点的FFT，130μs内可以完成1024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。

三、DSP技术的应用现状

（一）DSP技术的应用几乎已遍及电子与信息的每一个领域，常见的典型应用如下：

（1）通用数字信号处理：

数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数和谱分析等。

（2）语音处理：

语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。

（3）图形/图像处理：

二维和三维图形变换处理，模式识别，图像鉴别，图像增强，动画，电子地图和机器人视觉等。

（4）仪器仪表：

暂态分析，函数发生，波形产生,数据采集，石油/地质勘探，地震预测与处理等。

（5）自动控制：

磁盘/光盘伺服控制，机器人控制，发动机控制和引擎控制等。

（6）医学工程：

助听器，X射线扫描，心电图/脑电图，病员监护和超声设备等。

（7）家用电器：

数字电视,高清晰度电视（HDTV），高保真音响，电子玩具，数字电话等。

（8）通信：

纠错编/译码，自适应均衡，回波抵消，同步，分集接收，数字调制/解调，软件无线电和扩频通信等。

（9）计算机：

阵列处理器,图形加速器,工作站和多媒体计算机等。

（10）军事：

雷达与声呐信号处理，导航，导弹制导，保密通信，全球定位，电子对抗，情报收集与处理等。

（二）数字信号处理技术在生活中常用的几个具体实例：

1．数字化移动电话

数字化移动电话尽管花样繁杂，但基本上可划为两大类：

高速移动电话和低速移动电话。

虽然数字化高速移动通过标准很多，但当今普遍应用的是欧洲GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）标准。

俗称GSM标准的数字化蜂窝电话，叫作数字化大哥大，它具备国际漫游功能，给用户带来使用大哥大的方便。

现正在扩展数据通信服务能力以及它与ISDN系统兼容性。

低速移动电话就其实质而论。

它是数字化无绳电话，仍然保持模拟式无绳电话的子母式结构：

子机亦称为手机，可以距母机为百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通过话；母机也称为基地站，可作为家庭里的留守电话，也可悬挂在商店的墙壁上，街道的电线柱上，广为分布。

由统一的交换设施进行管理，实现无缝交递（SeamlessHandOn）功能。

这类低速移动电话式标准很多。

　　数字化移动电话（包括高速和低速）的每个手机，都要用至少1个DSP器，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。

2．数据调制解调器

　　数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。

调制解调器作为联系通信与多媒体信息处理系统的纽带，日益受到重视。

利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet已是最简便的访问形式。

由于Internet用户急剧增加，一度致使28．8Kbps的调制解调器成为市场上的脱销产品。

特别是由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息时，期望使用数据传送速度更高的调制解调器。

为适应这种新需求，国际上已制订出高速（33．6Kbps）调制解调器国际标准。

这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件[4]。

3．磁盘／光盘控制器需求

　　随着多媒体信息化的发展，各种信息存储媒体产品都应运而生，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM新产品纷纷上市。

今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量已高在1GB以上，详见照片4。

小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速响应特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。

4．图形图像处理需求

DVD里应用的活动图像压缩／解压缩用MPEG2编码／译码器，同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。

在这些领域里，应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。

而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。

新的算法出现，要求相应的高性能DSP。

最近，日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统，投入相当力量，利用现代计算机图像学CG生成3维图形，迫切需要多个DSP并行处理系统。

其中，系统里的结点DSP单元，要求采用与并行处理相适应的体系结构。

5．汽车电子系统及其它应用领域

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。

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。

6．声音处理。

声音数字压缩技术早已获得应用，其中以脉冲编码调制（PCM）的方法最普遍。

但由于它只能压缩50%数字，因此仍未足以应付未来计算机应用。

DSP已经在音效应用中得到广泛采用，而且大部分应用于音效产品的技术，例如应用于多媒体音效卡。

NEC公司推出了控制声音区域的DSP，可以应用于音效卡。

新加坡音效卡供应商CreativeTechnology的技术销售专家IanSkelton强调指出，DSP面市后，语音便成了工作重点。

改进DSP，就能改进语音的吞吐量，从而减轻PC的负荷及改进语音。

目前，CreativeTechnolgy正从事语音和多媒体等方面的研究，让用户感到更方便[5]。

四、DSP技术的发展

（一）DSP技术的发展内涵

DSP技术的发展内涵分为两个领域，一方面是数字信号处理的理论和方法的发展，数字信号是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛，例如，在数学领域，微积分，概率统计，随机过程，数值分析等都是数字信号数理的基本工具，数字信号处理与网络理论，信号与系统，控制理论，通信理论，故障诊断等也密切不可分，可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。

数字信处理在算法研究方面，主要研究如何以最小的运算和存储器使用量来完成指定的任务；对数字信号处理的系统实现面主，除了有关的输入输出部分外，其中最核心的算法的实现，目前各种快速算法（如声音与图像的压缩编码、识别与鉴别、加密解密、调制解调、信道辨识与均衡、智能天线、频谱分析等算法）都成为研究的热点，并有长足的进步，为各种实时处理的应用提供了算法基础。

另一方面DSP处理器性能的提高，为了满足应用市场的需求，随着微电子科学与技术的进步，DSP处理器的性能迅速地提高。

目前的工艺水平，时钟频率达到目的1.1GHZ；处理速度达到每秒90亿次32位浮点运算；数据吞率达到2GB/S。

在性能大幅度提高的同时，积极、功耗和成本却大幅度地下降，以满足低成本便携式电池应用系统的要求。

DSP技术的发展在上述两方面是互相促进的，理论和算法的研究推动了应用，应用的需求又促进了理论的发展[6]。

（二）DSP技术发展趋势

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AnalogDevices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。

例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。

互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。

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。

LSILogic公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。

Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合[7]。

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。

比如Virata公司购买了LSILogic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。

因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。

1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。

今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。

毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。

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。

据报道，Xilinx公司的Virtex-IIFPGA对快速傅立叶变换（FFT）的处理可提高30倍以上。

它的芯片中有自由的FPGA可供编程。

Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。

设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代（3G）WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。

因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用[8]。

五、我对数字信号处理技术的思考：

（一）DSP的开发工具

DSP的开发工具包括各种仿真软件、调试软件、硬件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。

国外有一些DSP的咨询公司及网站，他们起到DSP用户和DSP芯片供应商、DSP第三方之间的桥梁作用，也会为客户提供设计、提供软件和硬件及出版资料图书，有些还办培训班。

DSP首先可以构建一个强大灵活的硬件平台和软件基础，然后集成各种软件，其中可以包括标准算法、驱动、协议和应用等等。

DSP软件还易于维护和升级，大量工作可以在线实现。

DSP的应用已经涵盖了工业、通信、娱乐、个人医疗、教育、环境控制、安全等领域，我们期待着更多更好的应用。

将来的人们对具有DSP核心的数字信息产品大概会情有独衷，因为DSP会创造更多的价值。

（二）我国DSP市场前景

目前，国外众多厂商涉足我国DSP产品市场，我国的DSP应用已有了相当的基础，有10多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统（DSP）及相关产品的开发与应用。

从应用范围来说，数字信号处理器市场有着很光明的前景。

中国DSP市场增长迅速，在DSP应用方面中国一直保持着与国际上DSP技术同步的态势，从DSP芯片面世开始，中国就有单位应用、销售DSP芯片。

随着中国社会数字化、信息化的进展和中国经济的持续稳定增长，刺激了电子信息产业和市场的快速发展，推动了DSP的广泛应用[8]。

当今DSP之所以可以在嵌入式应用方面挑战微处理器CPU，在数字控制方面可挑战单片机MCU，还在于DSP结构体系已实现多样性。

DSP既有追求高性能并行结构，也有追求低功耗的省点核心；DSP中不仅可以集成闪存、数据转换器和多种接口，还可以集成CPU核心、视频和音频接口。

软件可编程性始终是DSP市场拓展的关键。

目前DSP开发工作中的80%以上已是软件工作。

数字信息产品中需要应用到许许多多新的技术和标准，其中不少需要经过不断完善。

六、结语

DSP不仅成为手机、个人数字助理等快速增长产品中的关键元件，而且它正在向数码相机和电机控制等领域挺进。

随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持40％以上的增长率，具有良好的市场前景。

参考文献：

[1]数字信号处理[书]/丁美玉 高西全等//西安电子科技大学出版社.-1997年ISSN:

7-5606-0922-8

[2]《高速数字信号处理器结构与系统》高梅国，刘国满，田黎育//清华大学出版社（2009-01出版）

[3]DSP技术的最新发展及其应用现状[刊]/魏晓云陈杰曾云（中国科学院微电子中心，]湖南大学应用物理系）//半导体技术.2003年28卷9期

[4]吴炳欣，《数字信号处理器的市场竞争及技术发展趋势》，《世界电子元器件》，2001