數(shù)字信號處理芯片的發(fā)展和應(yīng)用

數(shù)字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國防和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質(zhì)有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設(shè)計以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號處理系統(tǒng)可以通過A/D變換的位數(shù)、處理器的字長和適當?shù)乃惴M足精度要求。3.可靠性好：處理系統(tǒng)受環(huán)境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導體集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點。

然而，數(shù)字信號處理系統(tǒng)由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內(nèi)遠不如模擬信號處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數(shù)字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進數(shù)字信號處理技術(shù)的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。

70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發(fā)展，高速實時數(shù)字信號處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發(fā)展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數(shù)據(jù)處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執(zhí)行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%，片內(nèi)RAM增加了一個數(shù)量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應(yīng)用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP芯片有浮點和定點兩種數(shù)據(jù)格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使運算精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP開發(fā)系統(tǒng)方面，軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。目前某些芯片具有相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境，它支持斷點的設(shè)置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發(fā)商為DSP應(yīng)用軟件的開發(fā)準備了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應(yīng)用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大縮短，因而提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。

目前各廠商生產(chǎn)的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、ATT公司的DSPX系列、Motolora公司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。

1. 在一個周期內(nèi)可完成一次乘法和一次累加。

2. 采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。

3. 片內(nèi)有快速RAM，通常可以通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。

4. 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)硬件支持。

5. 快速中斷處理和硬件I/O支持。

6. 具有在單周期內(nèi)操作 的多個硬件地址產(chǎn)生器。

7. 可以并行執(zhí)行多個操作。

8. 支持流水線操作，取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進行。

隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構(gòu)造數(shù)字信號處理系統(tǒng)作信號的實時處理已成為當今和未來數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的一個熱點。隨著各個DSP芯片生產(chǎn)廠家研制的投入，DSP芯片的生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，產(chǎn)量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應(yīng)用的范圍不斷擴大，現(xiàn)在DSP芯片的應(yīng)用遍及電子學及與其相關(guān)的各個領(lǐng)域。

典型應(yīng)用　(1)通用信號處理：卷積，相關(guān)，F(xiàn)FT，Hilbert變換，自適應(yīng)濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調(diào)制/解調(diào)器，編/譯碼器，自適應(yīng)均衡器，仿真，蜂房網(wǎng)移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴頻通信，數(shù)據(jù)加密和壓縮等。(3)語音信號處理：語音識別，語音合成，文字變聲音，語音矢量編碼等。(4)圖形圖像信號處理：二、三維圖形變換及處理，機器人視覺，電子地圖，圖像增強與識別，圖像壓縮和傳輸，動畫，桌面出版系統(tǒng)等。(5)自動控制：機器人控制，發(fā)動機控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數(shù)發(fā)生，數(shù)據(jù)采集，航空風洞測試等。(7)消費電子：數(shù)字電視，數(shù)字聲樂合成，玩具與游戲，數(shù)字應(yīng)答機等。

如同其它數(shù)字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫(yī)學圖像處理，醫(yī)學圖像重構(gòu)等領(lǐng)域，如CT、核磁成象技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，已取得了令人滿意的效果。在助聽，電子耳渦等方面也取得了相當?shù)倪M展(文獻［1,2］)。國內(nèi)、外也有關(guān)于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統(tǒng)的報道(文獻［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫(yī)學工程的部分核心期刊，如IEEE Transactions on Biomedical Engineering,Computers and Biomedical Research等核心期刊進行檢索，有關(guān)基于DSP芯片處理系統(tǒng)的報道很少。對國內(nèi)生物醫(yī)學工程的核心期刊，如《中國醫(yī)療器械雜志》、《中國生物醫(yī)學工程雜志》、《生物醫(yī)學工程學雜志》和《中國生物醫(yī)學工程學報》等刊物進行檢索，未見有關(guān)基于DSP芯片系統(tǒng)方面的報道。對我所的光盤數(shù)據(jù)庫進行檢索，未見有關(guān)在航天醫(yī)學方面應(yīng)用的報告。

我們認為在生理信號處理領(lǐng)域基于DSP芯片的技術(shù)可以解決我們在實際工作中遇到的某些問題，如當生理信號數(shù)據(jù)量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復雜時，現(xiàn)有的微機在實時采樣、處理、存儲和顯示方面往往不能滿足實際應(yīng)用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機構(gòu)成主從系統(tǒng)可以較好地解決這類問題。

載人航天領(lǐng)域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數(shù)據(jù)進行實時壓縮；大型實驗中對龐大的數(shù)據(jù)進行實時處理依賴于數(shù)字處理系統(tǒng)的構(gòu)成；載人航天中對數(shù)據(jù)處理精度，可靠性要求以及功耗、工作電壓、體積、重量等方面的限制需要我們在構(gòu)造處理系統(tǒng)中選擇性能優(yōu)良的芯片。我們認為將DSP技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域具有十分重要的意義。

以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載人航天領(lǐng)域設(shè)備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。這樣為實時數(shù)字信號處理的應(yīng)用——尤其是在載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發(fā)展和應(yīng)用將會對載人航天信號處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

［1］　李小華，李雪琳，徐俊榮.基于DSP的數(shù)字助聽器的研究.95年生物電子學［C］，醫(yī)學傳感器等聯(lián)合學術(shù)會議文集，北京，1995:438～439

［2］　候　剛，徐俊榮.用于植入式多道電子耳渦的一種數(shù)字實時語音特征分析系統(tǒng)的 研究［M］.生物醫(yī)學工程前沿，合肥：中國科技大學出版社，1993：471～476

［3］　邱澄宇，何宏彬.用于心電信號數(shù)據(jù)壓縮的數(shù)字信號處理器［M］.生物醫(yī)學工程前沿，合肥：中國科技大學出版社，1993：463～466

［4］　Vijaya Krishna G，Prasad SS,Patil KM. A New DSP-Based Multichannel EMG Acquisition and Analysis System［J］.Computers And Biomedical Reserch,1996,29：395～406

［5］　劉松強.數(shù)字信號處理系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，1996:223～228

［6］　孫麗莎，沈民奮.基于高階統(tǒng)計量的心音建模分析［C］.第八屆全國信號處理學組織委員會聯(lián)合學術(shù)論文集，北京：航空工業(yè)出版社，1997：280～283