數(shù)字信號處理選型和介紹

一、數(shù)字信號處理簡介

DSP即數(shù)字信號處理（DIGITALSignalProcessing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、FREESCALE等半導體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。

二、數(shù)字信號處理選型

主要考慮處理速度、功耗、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量、片內(nèi)的資源，如定時器的數(shù)量、I/O口數(shù)量、中斷數(shù)量、DMA通道數(shù)等。DSP的主要供應(yīng)商有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大的市場份額。

TI公司現(xiàn)在主推四大系列DSP

1）C5000系列（定點、低功耗）：C54X，C54XX，C55X相比其它系列的主要特點是低功耗，所以最適合個人與便攜式上網(wǎng)以及無線通信應(yīng)用，如手機、PDA、GPS等應(yīng)用。處理速度在80MIPS--400MIPS之間。C54XX和C55XX一般只具有McBSP同步串口、HPI并行接口、定時器、DMA等外設(shè)。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存儲器擴展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX則不能直接使用。兩個系列的數(shù)字IO都只有兩條。

2）C2000系列（定點、控制器）：C20X，F(xiàn)20X，F(xiàn)24X，F(xiàn)24XX，C28x該系芯片具有大量外設(shè)資源，如：A/D、定時器、各種串口（同步和異步），WATCHDOG、CAN總線/PWM發(fā)生器、數(shù)字IO腳等。是針對控制應(yīng)用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有該系列有異步串口可以和PC的UART相連。

3）C6000系列：C62XX，C67XX，C64X該系列以高性能著稱，最適合寬帶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字影像應(yīng)用。32bit，其中：C62XX和C64X是定點系列，C67XX是浮點系列。該系列提供EMIF擴展存儲器接口。該系列只提供BGA封裝，只能制作多層PCB。且功耗較大。同為浮點系列的C3X中的VC33現(xiàn)在雖非主流產(chǎn)品，但也仍在廣泛使用，但其速度較低，最高在150MIPS。

4）OMAP系列：OMAP處理器集成ARM的命令及控制功能，另外還提供DSP的低功耗實時信號處理能力，最適合移動上網(wǎng)設(shè)備和多媒體家電。

其他系列的DSP曾經(jīng)有過風光，但現(xiàn)在都非TI主推產(chǎn)品了，除了C3X系列外，其他基本處于淘汰階段，如：C3X的浮點系列：C30，C31，C32C2X和C5X系列：C20，C25，C50每個系列的DSP都有其主要應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)字信號處理系統(tǒng)

三、數(shù)字信號處理芯片的選型參數(shù)

根據(jù)應(yīng)用場合和設(shè)計目標的不同，選擇DSP芯片的側(cè)重點也各不相同，其主要參數(shù)包括以下幾個方面：

（1）運算速度：首先我們要確定數(shù)字信號處理的算法，算法確定以后其運算量和完成時間也就大體確定了，根據(jù)運算量及其時間要求就可以估算DSP芯片運算速度的下限。在選擇DSP芯片時，各個芯片運算速度的衡量標準主要有：

MIPS（MillionsofInstructionsPerSecond），百萬條指令/秒，一般DSP為20~100MIPS，使用超長指令字的TMS320B2XX為2400MIPS。必須指出的是這是定點DSP芯片運算速度的衡量指標，應(yīng)注意的是，廠家提供的該指標一般是指峰值指標，因此，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)留有一定的裕量。MOPS（Mill

ionsofOperationsPerSecond），每秒執(zhí)行百萬操作。這個指標的問題是什么是一次操作，通常操作包括CPU操作外，還包括地址計算、DMA訪問數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作等。一般說MOPS越高意味著乘積-累加和運算速度越快。MOPS可以對DSP芯片的性能進行綜合描述。

MFLOPS（MillionFloatingPointOperationsPerSecond），百萬次浮點操作/秒，這是衡量浮點DSP芯片的重要指標。例如TMS320C31在主頻為40MHz時，處理能力為40MFLOPS，TMS320C6701在指令周期為6ns時，單精度運算可達1GFLOPS。浮點操作包括浮點乘法、加法、減法、存儲等操作。應(yīng)注意的是，廠家提供的該指標一般是指峰值指標，因此，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意留有一定的裕量。

MBPS（MillionBitPerSecond），它是對總線和I/O口數(shù)據(jù)吞吐率的度量，也就是某個總線或I/O的帶寬。例如對TMS320C6XXX、200MHz時鐘、32bit總線時，總線數(shù)據(jù)吞吐率則為800Mbyte/s或6400MBPS。

ACS（Multiply-AccumulatesPerSecond），例如TMS320C6XXX乘加速度達300MMACS~600MMACS。

指令周期，即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位，如TMS320LC549-80在主頻為80MHz是的指令周期為12.5ns。MAC時間，執(zhí)行一次乘法和加法運算所花費的時間：大多數(shù)DSP芯片可以在一個指令周期內(nèi)完成一次MAC運算。

FFT/FIR執(zhí)行時間，運行一個N點FFT或N點FIR程序的運算時間。由于FFT運算/FIR運算是數(shù)字信號處理的一個典型算法，因此，該指標可以作為衡量芯片性能的綜合指標。

（2）運算精度：一般情況下，浮點DSP芯片的運算精度要高于定點DSP芯片的運算精度，但是功耗和價格也隨之上升。一般定點DSP芯片的字長為16位、24位或者32位，浮點芯片的字長為32位。累加器一般都為32位或40位。定點DSP的特點是主頻高、速度快、成本低、功耗小，主要用于計算復雜度不高的控制、通信、語音/圖像、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。通常可以用定點器件解決的問題，盡量用定點器件，因為它經(jīng)濟、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時要關(guān)注信號的動態(tài)范圍，在代碼中增加限制信號動態(tài)范圍的定標運算，雖然我們可以通過改進算法來提高運算精度，但是這樣做會相應(yīng)增加程序的復雜度和運算量。浮點DSP的速度一般比定點DSP處理速度低，其成本和功耗都比定點DSP高，但是由于其采用了浮點數(shù)據(jù)格式，因而處理精度，動態(tài)范圍都遠高于定點DSP，適合于運算復雜度高，精度要求高的應(yīng)用場合；即使是一般的應(yīng)用，在對浮點DSP進行編程時，不必考慮數(shù)據(jù)溢出和精度不夠的問題，因而編程要比定點DSP方便、容易。因此說，運算精度要求是一個折衷的問題，需要根據(jù)經(jīng)驗等來確定一個最佳的結(jié)合點。

（3）字長的選擇：一般浮點DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而Motorola公司定點芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點和浮點精度之間取得折衷。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲器的大小，設(shè)計時在滿足性能指標的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。

（4）存儲器等片內(nèi)硬件資源安排：包括存儲器的大小，片內(nèi)存儲器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲器的大小決定了芯片運行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。通過對算法程序和應(yīng)用目標的仔細分析可以大體判定對DSP芯片片內(nèi)資源的要求。幾個重要的考慮因素是片內(nèi)RAM和ROM的數(shù)量、可否外擴存儲器、總線接口/中斷/串行口等是否夠用、是否具有A/D轉(zhuǎn)換等。

（5）開發(fā)調(diào)試工具：完善、方便的的開發(fā)工具和相關(guān)支持軟件是開發(fā)大型、復雜DSP系統(tǒng)的必備條件，對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期有很重要的作用。開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過軟件仿真器進行仿真運行，來確定必要的性能指標。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對設(shè)計的硬件進行在線調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實時運行設(shè)計的DSP軟件，可以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當作最終產(chǎn)品。

（6）功耗與電源管理：一般來說個人數(shù)字產(chǎn)品、便攜設(shè)備和戶外設(shè)備等對功耗有特殊要求，因此這也是一個該考慮的問題。它通常包括供電

電壓的選擇和電源的管理功能。供電電壓一般取得比較低，實施芯片的低電壓供電，通常有3.3V、2.5V，1.8V，0.9V等，在同樣的時鐘頻率下，它們的功耗將遠遠低于5V供電電壓的芯片。加強了對電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應(yīng)用說明。

（7）價格及廠家的售后服務(wù)因素：價格包括DSP芯片的價格和開發(fā)工具的價格。如果采用昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍也肯定受到一定的限制。但低價位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲器少、性能上差一些的，這就帶給編程一定的困難。因此，要根據(jù)實際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，確定一個價格適中的DSP芯片。還要充分考慮廠家提供的的售后服務(wù)等因素，良好的售后技術(shù)支持也是開發(fā)過程中重要資源。

（8）其他因素：包括DSP芯片的封裝形式、環(huán)境要求、供貨周期、生命周期等。

四、數(shù)字信號處理應(yīng)用

廣義來說，數(shù)字信號處理是研究用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學科。但很多人認為：數(shù)字信號處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

數(shù)字控制、運動控制方面的應(yīng)用主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、馬達控制、電力系統(tǒng)控制、機器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機床等。

面向低功耗、手持設(shè)備、無線終端的應(yīng)用主要有：手機、PDA、GPS、數(shù)傳電臺等。

1.數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器的實用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實現(xiàn)。在硬件實現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同。數(shù)字信號處理系統(tǒng)很容易用數(shù)字集成電路制成，顯示出體積小、穩(wěn)定性高、可程控等優(yōu)點。數(shù)字濾波器也可以用軟件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計算機按濾波器的設(shè)計算法編出程序進行數(shù)字濾波計算。

2.傅里葉變換

1965年J.W.庫利和T.W.圖基首先提出離散傅里葉變換的快速算法，簡稱快速傅里葉變換，以FFT表示。自有了快速算法以后，離散傅里葉變換的運算次數(shù)大為減少，使數(shù)字信號處理的實現(xiàn)成為可能?？焖俑道锶~變換還可用來進行一系列有關(guān)的快速運算，如相關(guān)、褶積、功率譜等運算?？焖俑道锶~變換可做成專用設(shè)備，也可以通過軟件實現(xiàn)。與快速傅里葉變換相似，其他形式的變換，如沃爾什變換、數(shù)論變換等也可有其快速算法。

3.譜分析

在頻域中描述信號特性的一種分析方法，不僅可用于確定性信號，也可用于隨機性信號。所謂確定性信號可用既定的時間函數(shù)來表示，它在任何時刻的值是確定的；隨機信號則不具有這樣的特性，它在某一時刻的值是隨機的。因此，隨機信號處理只能根據(jù)隨機過程理論，利用統(tǒng)計方法來進行分析和處理，如經(jīng)常利用均值、均方值、方差、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等統(tǒng)計量來描述隨機過程的特征或隨機信號的特性。

語音信號處理語音信號處理是信號處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識別，語言的理解，語音的合成，語音的增強，語音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語音識別是將待識別的語音信號的特征參數(shù)即時地提取出來，與已知的語音樣本進行匹配，從而判定出待識別語音信號的音素屬性。關(guān)于語音識別方法，有統(tǒng)計模式語音識別，結(jié)構(gòu)和語句模式語音識別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語音理解是人和計算機用自然語言對話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語音合成的主要目的是使計算機能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時語音特征參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，然后利用適當?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語言。其他有關(guān)語言處理問題也各有其特點。語音信號處理是發(fā)展智能計算機和智能機器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語音信號處理是迅速發(fā)展中的一項信號處理技術(shù)。

4.圖像信號處理

圖像信號處理的應(yīng)用已滲透到各個科學技術(shù)領(lǐng)域。譬如，圖像處理技術(shù)可用于研究粒子的運動軌跡、生物細胞的結(jié)構(gòu)、地貌的狀態(tài)、氣象云圖的分析、宇宙星體的構(gòu)成等。在圖像處理的實際應(yīng)用中，獲得較大成果的有遙感圖像處理技術(shù)、斷層成像技術(shù)、計算機視覺技術(shù)和景物分析技術(shù)等。根據(jù)圖像信號處理的應(yīng)用特點，處理技術(shù)大體可分為圖像增強、恢復、分割、識別、編碼和重建等幾個方面。這些處理技術(shù)各具特點，且正在迅速發(fā)展中。

5.振動信號處理

機械振動信號的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機、船只、機械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計等方面的研究和生產(chǎn)中。振動信號處理的基本原理是在測試體上加一激振力，做為輸入信號。在測量點上監(jiān)測輸出信號。輸出信號與輸入信號之比稱為由測試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（或稱轉(zhuǎn)移函數(shù)）。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進行所謂模態(tài)參數(shù)識別，從而計算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學模型。進而可以做出結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實質(zhì)上，它就是信號處理在振動工程中所采用的一種特殊方法。

6.地球物理處理

為了勘探地下深處所儲藏的石油和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來探測地層結(jié)構(gòu)和巖性。這種方法的基本原理是在一選定的地點施加人為的激震，如用爆炸方法產(chǎn)生一振動波向地下傳播，遇到地層分界面即產(chǎn)生反射波，在距離振源一定遠的地方放置一列感受器，接收到達地面的反射波。從反射波的延遲時間和強度來判斷地層的深度和結(jié)構(gòu)。感受器所接收到的地震記錄是比較復雜的，需要處理才能進行地質(zhì)解釋。處理的方法很多，有反褶積法，同態(tài)濾波法等，這是一個尚在努力研究的問題。

7.生物醫(yī)學處理

信號處理在生物醫(yī)學方面主要是用來輔助生物醫(yī)學基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護。例如，用于細胞學、腦神經(jīng)學、心血管學、遺傳學等方面的基礎(chǔ)理論研究。人的腦神經(jīng)系統(tǒng)由約100億個神經(jīng)細胞所組成，是一個十分復雜而龐大的信息處理系統(tǒng)。在這個處理系統(tǒng)中，信息的傳輸與處理是并列進行的，并具有特殊的功能，即使系統(tǒng)的某一部分發(fā)生障礙，其他部分仍能工作，這是計算機所做不到的。因此，關(guān)于人腦的信息處理模型的研究就成為基礎(chǔ)理論研究的重要課題。此外，神經(jīng)細胞模型的研究，染色體功能的研究等等，都可借助于信號處理的原理和技術(shù)來進行。

五、未來DSP發(fā)展趨勢

在相當長的時期內(nèi)，無線應(yīng)用仍將是可編程DSP市場的驅(qū)動引擎。DSP技術(shù)仍將是能夠訪問窄帶、寬帶或是無線互聯(lián)網(wǎng)的主要手段，它還是新興的分組（IP）電話市場的關(guān)鍵技術(shù)，DSP仍將是整個半導體工業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力。

在產(chǎn)品應(yīng)用上，目前重要的DSP應(yīng)用產(chǎn)品，如移動電話、調(diào)制解調(diào)器、HDD等個人計算機與通訊領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品。但種種跡象表明，數(shù)字革命促進了高性能DSP的廣泛應(yīng)用，如數(shù)碼相機、VoIP電話和手持電子設(shè)備等。中國在消費電子產(chǎn)品上的發(fā)展更為引人注目，許多消費類電子產(chǎn)品需要更低成本、更易使用的DSP產(chǎn)品，如音響設(shè)備、DVR、機頂盒等。整體來看，DSP應(yīng)用在通訊領(lǐng)域、數(shù)字影音的產(chǎn)品將越來越普及。