摘要：本文結合理論分析了數字信號處理(DSP)技術在多個領域的應用狀況，闡述了DSP 在當下應用領域和市場前景應用情況，并對數字信號處理技術的發展前景進行了展望。
      關鍵詞：數字信號處理；圖形圖像；電子系統；發展前景

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即為數字信號處理器(Digital Signal Processing)，是在模擬信號變換成數字信號以后進行高速實時處理的專用處理器。它的工作原理是將現實世界的模擬信號轉換成數字信號，再用數學方法處理此信號，得到相應的結果。自從數字信號處理器(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，已在圖形、圖像處理，語音、語言處理，通用信號處理，測量分析，通信等領域發揮越來越重要的作用。隨著成本的降低，控制界已對此產生濃厚興趣，已在不少場合得到成功應用。DSP數字信號處理器DSP芯片采用了數據總線和程序總線分離的哈佛結構及改進的哈佛結構，較傳統處理器的馮•è«¾ä¾æ›¼çµæ§‹å…·æœ‰æ›´é«˜çš„指令執行速度。其處理速度比最快的CPUå¿«10-50倍。在當今數字化時代背景下，DSP 已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件，被譽為信息社會革命的“旗手”[1]。

     2 DSP技術的發展歷程
      DSP發展歷程大致分為四個階段：第一階段是70年代理論先行，第二階段是80年代產品普及，第三階段是90年代突飛猛進，第四階段是21 世紀再創輝煌。
      在DSP出現之前數字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎。而DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統也是由分立組件組成的，其應用領域僅局限于軍事、航空航大部門。
      隨著大規模集成電路技術的發展，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技術制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問世標志著DSP應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進一步提高，其應用于范圍逐步擴大到通信、計算機領域。

      90年代DSP發展最快，相繼出現了第四代和第五代DSP器件。現在的DSP屬于第五代產品，它與第四代相比，系統集成度更高，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、計算機領域大顯身手，而且逐漸滲透到人們日常消費領域，前景十分可觀[2]。
2 DSP技術在各領域的創新應用
      2.1通信領域的應用
      近年來，隨著通信技術的飛速發展，DSP已經成為信號與信息處理領域里一門十分重要的新興學科，它代表著當今無線系統的主流發展方向。現在，通信領域中許多產品都與DSP密切聯系，例如，Modem、數據加密、擴頻通信、可視電話等。而尋找DSP芯片來實現算法最開始的目標是在可以接受的時間內對算法做仿真，隨后是將波形存儲起來，然后再加以處理。圖1所示，給出了一個典型的DSP應用系統。數字蜂窩電話是DSP最為重要的應用領域。因DSP具有強大的計算能力，使得移動通信的蜂窩電話重新崛起，并創造了一批諸如GSM、CDMA等全數字蜂窩電話網[3]。由于采用DSP 技術，蜂窩電話的更新換代變得更為容易，只需在統一的硬件平臺基礎上，通過軟件的不斷升級生產各式各樣的新款手機。
 

      輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣，然后進行模/數轉換，將模擬信號轉換成數字比特流。根據香農抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的兩倍。
      2.2 儀器儀表領域的應用
      DSP已經涉足測量儀表和測試儀器行業，而且大有取代高檔單片機的趨勢。使用DSP開發測量儀表和測試儀器可將產品提升到一個嶄新的水平。新款DSP豐富的片內資源可以大大簡化儀器儀表的硬件電路，實現儀器儀表的SOC（System On Chip,即片上系統）設計。 
      儀器儀表的測量精度和速度是一項重要的指標，使用DSP芯片開發產品可使這兩項指標大大提高。以TMS320F2810為例，其高效的32位CPU內核、優異的12位A/D轉換器、豐富的片內存儲器以及靈活的指令系統為我們開發快速、高精度儀器搭建了廣闊的平臺。
      目前DSP正處于一個高速發展的時期，儀器儀表是DSP的一個重要應用領域，相信DSP的應用會推進儀器儀表的技術革新。
      2.3 PC領域中的應用
      可編程多媒體DSP是PC領域的主流產品。以XDSL Modem為代表的高速通信技術與MPEG圖像技術相結合，使得高品位的音頻和視頻形式的計算機數據有可能實現實時交換。預計在今后的PC機中，一個DSP即可完成全部所需的多媒體的處理功能。
       2．4 全新數碼助聽器中的應用
      由于傳統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，這個使命理所當然的留給了全數碼助聽器。在國外，助聽器的技術正由傳統的電子放大電路逐步被DSP所取代。DSP具有強大的處理功能，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，從而使現代的助聽器技術產生一個質的飛躍。數字信號處理是全數碼助聽器的核心部分。它為調整輸入/輸出特性和系統的頻率響應特性提供很強的靈活性 。
      2.5 圖形圖像技術領域的應用
      DVD里應用的活動圖像壓縮／解壓縮用MPEG2編碼／譯碼器，同時也廣泛地應用于視頻點播VOD、高品位有線電視和衛星廣播等諸多領域。在這些領域里，應用的DSP應該具備更高的處理速度和功能。而且，活動圖像壓縮／解壓技術也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構圖像質量，于是出現了對以視覺感知特性為指導的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現，要求相應的高性能DSP。最近，日本各大學和高技術企業對于開發虛擬現實VR系統，投入相當力量，利用現代計算機圖像學CG生成3維圖形，迫切需要多個DSP并行處理系統。其中，系統里的結點DSP單元，要求采用與并行處理相適應的體系結構。
      2.6 汽車電子系統及其他應用領域
      汽車電子系統日益興旺發達起來，諸如裝設紅外線和毫米波雷達，將需用DSP進行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統已成為研究熱點。而且，利用攝像機拍攝的圖像數據需要經過DSP處理，才能在駕駛系統里顯示出來，供駕駛人員參考。應用DSP的領域可以說是不勝枚舉，電視會議系統里，也大量應用DSP器件。視聽機器里也都應用DSP。隨著科學技術的發展，將會出現許許多多的DSP新應用領域。

      3 DSP技術的發展前景
      目前，DSP市場正處于高速成長階段，在數字化、個人化和網絡化的推動下，2009年世界DSP市場營業額已超過800億美元，預計未來的年增長率高達40%，在全球DSP市場中，僅就美國而言，據估計，美國有超過1億輛汽車、幾千萬臺個人通信裝置、每個家庭中就有5～20個聯網的家用電器以及數以百萬計的工廠使用DSP系統。中國已成為DSP芯片的最大市場，數碼相機、IP電話和手持電子設備的熱銷帶來了對DSP芯片的巨大需求。盡管DSP市場日趨成熟，但仍有成長空間。互聯網和設備個性化是當前信息社會的特征。互聯網是PC時代全球經濟新的增長點，由于PC市場仍未飽和，市場潛力巨大，也是DSP潛在的應用領域。而手機、PDA、MP3播放器以及手提電腦等則是設備個性化的典型代表，這些設備的發展水平取決于DSP的發展。新的形勢下，DSP面臨的要求是處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲器用量更少。DSP的技術發展將會有以下一些走勢：
      （1）系統級集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術發展方向。當前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統統集成在一個芯片上，成為DSP系統級集成電路。
      （2）追求更高的運算速度和進一步降低功耗和幾何尺寸[4]。由于電子設備的個人化和客戶化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速度，才能跟上電子設備的更新步伐。同時由于DSP的應用范圍已擴大到人們工作生活的各個領域，特別是便攜式手持產品對于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進一步降低功耗。按照CMOS的發展趨勢，依靠新工藝改進芯片結構，DSP運算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。 
      （3）DSP的內核結構進一步改善[5]。DSP的結構主要是針對應用，并根據應用優化DSP設計以極大改進產品的性能。多通道結構和單指令多重數據（SIMD）、超長指令字結構（VLIM）、超標量結構、超流水結構、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結構(SHARC)在新的高性能處理器中將占據主導地位。
      （4）DSP嵌入式系統[5]。DSP嵌入式系統是 DSP系統嵌入到應用電子系統中的一種通用系統[4> 。這種系統既具有DSP器件在數據處理方面的優勢，又具有應用目標所需要的技術特征。在許多嵌入式應用領域，既需要在數據處理方面具有獨特優勢的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，將成為DSP技術發展的一種新潮流。

      4 結束語
      目前DSP技術的應可以說是日新月異，它的應用領域就像一個是個大金礦，還遠沒有探測完。當前對數字信號處理問題的關心仍然是產業界流行的趨勢。每天，我們翻開一本新的雜志，都會有關于DSP技術最新發展的報道，數字化的到來對我們既是機遇也是挑戰。相信DSP技術的發展和應用將對我們的工作和生活以及觀念產生更大的影響，值得為之奮斗。
      參考文獻
      [1] 彭啟琮,李玉柏,管慶.DSP技術的發展與應用［Mï¼½. 高等教育出版社,2007.
      [2] 張雄偉,陳亮,徐光輝.DSP芯片的原理與開發應用（第3版）［Jï¼½,北京, 電子工業出版社, 2003.2.
      [3] 申敏.DSP原理及其在移動通信中的應用［Mï¼½.人民郵電出版社,1999.
      [4] 張至德.單片信號處理器及其應用［Jï¼½.電子工程信息,1987,(7).
      [5] 許偉.DSP應用的結構和發展方向［Jï¼½.電子技術應用,1999.

      作者簡介：吳雷（1984-），男，漢族，河南商丘人，河南理工大學碩士研究生，主要從事精密及超精密加工技術的研究。
      通信地址：河南省焦作市河南理工大學1241ä¿¡ç®±  吳雷   郵編 454000
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