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1、浅谈数字信号处理 20091111 崔琦中文摘要：数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。关键词： 数字信号处理；芯片发展；应用 ABSTRACT：The purpose of digital signal processing is the real world of continuous analog signals measured or filter. Therefore in digital signal proc
2、essing is needed before will signal from analog to digital domain, the field that usually through the adc. And digital signal processing output often will transform into analog domain, it is realized by digital-to-analog converters.Keywords：Digital signal processing；Chip development；application正文： 数
3、字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科，已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域，取得了丰硕的成果。对信号在时域及变换域的特性进行分析、处理，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解，得到我们需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更深层次上获取信息。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器。DSP芯片的出现和发展，促进数字信号处理技术的提高，许多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。目前，DSP芯片已广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。 数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数
4、字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。数字信号处理的核心算法是离散傅立叶变换(DFT)，是DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以用通用计算机处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅立叶变换(FFT)，FFT的出现大大减少了DFT的运算量，使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。 数字信号处理系统的优越性表现为：1.灵活性好：当处理方法和参数发
5、生变化时，处理系统只需通过改变软件设计以适应相应的变化。2.精度高：信号处理系统可以通过A/D变换的位数、处理器的字长和适当的算法满足精度要求。3.可靠性好：处理系统受环境温度、湿度，噪声及电磁场的干扰所造成的影响较小。4.可大规模集成：随着半导体集成电路技术的发展，数字电路的集成度可以作得很高，具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。 一、DSP的发展 70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的诞生标志着DSP芯片的开端。随着半导体集成电路的飞速发展，高速实时数字信号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断延伸，在80年代初至今的十几年中，DSP芯片取
6、得了划时代的发展。从运算速度看，MAC（乘法并累加）时间已从80年代的400 ns降低到40 ns以下，数据处理能力提高了几十倍。MIPS（每秒执行百万条指令）从80年代初的5MIPS增加到现在的40 MIPS以上。DSP芯片内部关键部件乘法器从80年代初的占模片区的40%左右下降到小于5%，片内RAM增加了一个数量级以上。从制造工艺看，80年代初采用4m的NMOS工艺而现在则采用亚微米CMOS工艺，DSP芯片的引脚数目从80年代初最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增多使得芯片应用的灵活性增加，使外部存储器的扩展和各个处理器间的通信更为方便。和早期的DSP芯片相比，现在的DSP芯片
7、有浮点和定点两种数据格式，浮点DSP芯片能进行浮点运算，使运算精度极大提高。DSP芯片的成本、体积、工作电压、重量和功耗较早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP开发系统方面，软件和硬件开发工具不断完善。目前某些芯片具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和DMA的访问及程序的单部运行和跟踪等，并可以采用高级语言编程，有些厂家和一些软件开发商为DSP应用软件的开发准备了通用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序，这使得应用软件开发更为方便，开发时间大大缩短，因而提高了产品开发的效率。 通用DSP芯片的特点 1. 在一个周期内可完成一次乘法和一次累加。 2. 采用哈佛
8、结构，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3. 片内有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问。 4. 具有低开销或无开销循环及跳转硬件支持。 5. 快速中断处理和硬件I/O支持。 6. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 7. 可以并行执行多个操作。 8. 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠进行。 二、DSP在通信系统中的应用 DSP 技术已广泛应用于通信领域。主要集中在以下几个方面。1 软件无线电 软件无线电技术与计算机技术正在不断触合为第3 代移动通信系统提供了良好的用户界面。DSP 的硬件技术及其算法是实现软件无线电的关键所在。软件无线电系统的
9、灵活性、开放性和兼容性等特点主要是通过以信号处理器为中心的通用硬件平台及软件来实现的。它主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流且大进行滤波、变频等处理运算次数多,必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务,必须要求硬件处理速度不断增加,芯片容量扩大,同时要求算法进行针对处理器的优化和改进。这2 个方面要求的不断提高将是数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样,才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制。软件的实现方式一般有两种, 即采用DSP 器件来实现和现场可编程门阵列(FPGA)来实现。2 语音
10、压缩编码 语音数据压缩的目的是能在尽可能低的传输速率上获得高质量的语音效果,即希望语音信号可以在带宽较窄的信道中传输,而语音的质且下降得不多或尽可能不下降。语音编码系统早期使用的是波形编码方法,也叫波形编码。其本质上遵循奈奎斯特采样定理,适应能力较强,合成语音质量较好,但是编码速率高,编码效率极低。而参数编码是不同于波形编码的高效编码方式,它是从语音产生的机理出发,主要是对提取的语音信号特征参数进行编码,可以达到极低的编码速率。但是只能达到合成语音的效果,语音质量不如波形编码。近十年来,语音编码技术取得了突破性的进展。ITU 等陆续通过了一系列低码率的电话频带语音编码标准。由参数编码和波形编码
11、结合的混合编码方式即分析一合成编码,可在获得较好音质的同时有效降低编码率,其中最具有代表性的是线性预测编码(LPG)和码激励线性预测编码(CELP)。这种编码方式能在4-16kbit/s的中低编码速率上得到高质量的重建语音,但算法复杂,对处理器的运算速度要求很高。对语音处理来说,压缩倍率越高,编码算法也越复杂,实时压缩就不可能用逻辑电路实现,也不会用体积大、速度慢、成本高的微机实现。而DSP 就是一种合适的选择,在网络会议、语音通信、监控系统等领域中都是重要的组成部分。DSP 的使用不仅为语音压缩算法的应用提供了广阔的前景,而且使系统的设计变得简单,可靠性也大为提高。3 GPS系统 GPS 是
12、由美国开发的以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航定位系统。被广泛运用于各种军事、经济领域。伴随着 GPS技术在各个领域的推广和普及应用,接收机的小型化、智能化和满足用户需求的算法研究都十分必要。全球定位系统主要有二个部分组成:卫星星座、地面控制 / 监视网络和用户接收设备。在GPS 应用中,常需要对GPS 接收机采集的数据进行再处理,或是利用GPS接收机提供的某些信息进行某行业内的开发。DSP 小体积、高速度、低功耗高、可靠性的特点。适合对复杂性的GPS 信号的实时处理。利用其与OEM 版构成的GPS 信息系统,不仅很好地满足GPS信号处理的实时性和高复杂性,并且由于DSP强大的数据处理能力
13、,系统还可以进行进一步的功能扩展。典型应用(1)通用信号处理：卷积，相关，FFT，Hilbert变换，自适应滤波，谱分析，波形生成等。(2)通信：高速调制/解调器，编/译码器，自适应均衡器，仿真，蜂房网移动电话，回声/噪声对消，传真，电话会议，扩频通信，数据加密和压缩等。(3)语音信号处理：语音识别，语音合成，文字变声音，语音矢量编码等。(4)图形图像信号处理：二、三维图形变换及处理，机器人视觉，电子地图，图像增强与识别，图像压缩和传输，动画，桌面出版系统等。(5)自动控制：机器人控制，发动机控制，自动驾驶，声控等。(6)仪器仪表：函数发生，数据采集，航空风洞测试等。(7)消费电子：数字电视，
14、数字声乐合成，玩具与游戏，数字应答机等。 结束语以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统，可集数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体，能充分体现数字信号处理系统的优越性，能很好地满足载人航天领域设备测量精度、可靠性、信道带宽、功耗、工作电压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发展，各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出，应用技术和开发手段在不断完善。这样为实时数字信号处理的应用尤其是在载人航天领域中的应用提供了更为广阔的空间。我们有理由相信，DSP芯片进一步的发展和应用将会对载人航天信号处理领域产生深远的影响。参考文献 1 张辉,DSP的特点,发展趋势与应用J.电子产品世界,2004.6.2 张雄伟等,DSP 芯片的原理与开发应用M.北京:电子工业出版社,2003.3李小华，李雪琳，徐俊荣.基于DSP的数字助听器的研究.95年生物电子学C，医学传感器等联合学术会议文集，北京，1995:438439 4Vijaya Krishna G，Prasad SS,Patil KM. A New DSP-Based Multichannel EMG Acquisition and Analysis SystemJ.Computers And Biomedical Reserch,1996,29
