數(shù)字信號(hào)處理芯片的發(fā)展和應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理作為信號(hào)和信息處理的一個(gè)分支學(xué)科，已滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對(duì)信號(hào)在時(shí)域及變換域的特性進(jìn)行分析、處理，能使我們對(duì)信號(hào)的特性和本質(zhì)有更清楚的認(rèn)識(shí)和理解，得到我們需要的信號(hào)形式，提高信息的利用程度，進(jìn)而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當(dāng)處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設(shè)計(jì)以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號(hào)處理系統(tǒng)可以通過A/D變換的位數(shù)、處理器的字長(zhǎng)和適當(dāng)?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(chǎng)的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導(dǎo)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(diǎn)。

然而，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)由于受到運(yùn)算速度的限制，其實(shí)時(shí)性在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)不如模擬信號(hào)處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)處理器，是一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運(yùn)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(dòng)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(biāo)志著DSP芯片的開端。隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號(hào)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(shí)代的發(fā)展。從運(yùn)算速度看，MAC（乘法并累加）時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)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(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)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(chǔ)器的擴(kuò)展和各個(gè)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(diǎn)和定點(diǎn)兩種數(shù)據(jù)格式，浮點(diǎn)DSP芯片能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，使運(yùn)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?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和DMA的訪問及程序的單部運(yùn)行和跟蹤等，并可以采用高級(jí)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(zhǔn)備了通用的函數(shù)庫(kù)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(shí)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(gè)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(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。

3. 片內(nèi)有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器。

7. 可以并行執(zhí)行多個(gè)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(jìn)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(hào)處理系統(tǒng)作信號(hào)的實(shí)時(shí)處理已成為當(dāng)今和未來數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著各個(gè)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(jià)大幅度下降，這使得DSP芯片應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在DSP芯片的應(yīng)用遍及電子學(xué)及與其相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。

典型應(yīng)用　(1)通用信號(hào)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(dòng)電話，回聲/噪聲對(duì)消，傳真，電話會(huì)議，擴(kuò)頻通信，數(shù)據(jù)加密和壓縮等。(3)語音信號(hào)處理：語音識(shí)別，語音合成，文字變聲音，語音矢量編碼等。(4)圖形圖像信號(hào)處理：二、三維圖形變換及處理，機(jī)器人視覺，電子地圖，圖像增強(qiáng)與識(shí)別，圖像壓縮和傳輸，動(dòng)畫，桌面出版系統(tǒng)等。(5)自動(dòng)控制：機(jī)器人控制，發(fā)動(dòng)機(jī)控制，自動(dòng)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(fēng)洞測(cè)試等。(7)消費(fèi)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(jī)等。

如同其它數(shù)字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫(yī)學(xué)圖像處理，醫(yī)學(xué)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(dāng)?shù)倪M(jìn)展(文獻(xiàn)［1,2］)。國(guó)內(nèi)、外也有關(guān)于腦電、心電、心音和肌電信號(hào)處理方面基于DSP芯片系統(tǒng)的報(bào)道(文獻(xiàn)［4～7］)，我們對(duì)1996年以前國(guó)外生物醫(yī)學(xué)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(jìn)行檢索，有關(guān)基于DSP芯片處理系統(tǒng)的報(bào)道很少。對(duì)國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程的核心期刊，如《中國(guó)醫(yī)療器械雜志》、《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程雜志》、《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》和《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》等刊物進(jìn)行檢索，未見有關(guān)基于DSP芯片系統(tǒng)方面的報(bào)道。對(duì)我所的光盤數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，未見有關(guān)在航天醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的報(bào)告。

我們認(rèn)為在生理信號(hào)處理領(lǐng)域基于DSP芯片的技術(shù)可以解決我們?cè)趯?shí)際工作中遇到的某些問題，如當(dāng)生理信號(hào)數(shù)據(jù)量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對(duì)復(fù)雜時(shí)，現(xiàn)有的微機(jī)在實(shí)時(shí)采樣、處理、存儲(chǔ)和顯示方面往往不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機(jī)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(hào)傳輸帶寬的限制需要對(duì)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮；大型實(shí)驗(yàn)中對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理依賴于數(shù)字處理系統(tǒng)的構(gòu)成；載人航天中對(duì)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?cè)跇?gòu)造處理系統(tǒng)中選擇性能優(yōu)良的芯片。我們認(rèn)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(hào)處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(cè)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(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)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(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)對(duì)載人航天信號(hào)處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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