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DSP应用综述摘要:数字信号处理（DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。DSP技术已经在通信、网络、控制等诸多领域得到广泛的应用。文中阐述了DSP的基本原理,DSP的特点,DSP系统构成,DSP芯片的发展现状和趋势。关键词：数字信号处理，DSP1介绍随着计算机和信息技术的飞速发展，信息社会已经进入数字化时代，DSP技术已经成为数字化社会最重要的技术之一。DSP可以代表数字信号处理技术，也可以代表数字信号处理器，其实两者是不可分割的。前者是理论和计算方法上的技术，后者是指实现这些技术的的通用或专用可编程微处理器芯片。随着DSP芯片的快速发展，DSP这一英文缩写已被大家公认为数字信号处理器的代名词。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。数字信号处理包括两个方面的内容：1.1算法的研究算法的研究是指如何以最小的运算量和存储空间来完成指定的任务。如20世纪60年代出现的快速傅里叶变换，使数字信号处理技术发生了革命性的的变换。到现今，数字信号处理的理论和方法得到快速发展，如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识和与均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研究的热点，并取得长足的进步，为各种实时处理的的应用提供了算法基础。1.2数字信号处理的实现数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。2DSP的特点数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：采用哈佛结构，采用多总线结构，采用流水线技术，配有专用的硬件乘法、累加器，具有特殊的DSP指令，快速的指令周期，硬件配置强，支持多处理器结构，省电管理和低功耗等。与一般的处理器相比，DSP芯片具有明显的优势。下面介绍它的几个突出的特点。（1)运算速度快。DSP的总线采用哈佛结构,即独立的程序总线和数据总线,流水线处理技术,使运算速度特别快,甚至比有些PC机的CPU还要快。而且DSP在处理乘加运算时比其它处理器都要快得多。（2)接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都相互兼容,这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多。具有并行I/O,异步串口,同步串口等I/O接口;有些DSP芯片内有双十位的A/D接口,例如TMS320F240;有通用定时器、多路PWM、看门狗定时器和实时中断定时器等事件处理接口;还具有仿真接口等。（3)编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。（4)稳定性好。DSP系统以数字处理为基础,受环境温度以及噪声的影响较小,可靠性高。（5)精度高。定点DSP芯片字长16位,CALU(中央算术逻辑单元)和累加器32位。浮点DSP芯片字长32位,累加器40位。3DSP的发展历程从DSP芯片诞生到现今，DSP的发展经历了三个阶段：（1）第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠微处理器来完成。但由于微处理器较低的处理速度不快，根本就无法满足越来越大的信息量的高速实时要求。因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求。1965年库利（Cooley）和图基发表了快速傅里叶变换FFT，极大的降低了傅里叶变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法的基础。但那时的DSP仅仅停留在教科书上，即使是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片。运算速度大约为单指令周期200-250ns，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。（2）第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。这一时期，许多国际上著名集成电路厂家都相继推出了自己的DSP产品。如：TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32。这一时期的DSP器件在硬件结构上更适于数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80~100ns。伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。（3）第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。这一时期，各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种外设集成到片上，大大提高了数字信号处理能力。这一时期DSP芯片运算速度可以达到单指令周期为10ns左右，使用方便灵活，使DSP不止在通信、计算机领域得到广泛应用，而且逐渐渗透到了人们日常消费领域。4DSP的应用随着技术发展，DSP以经在许多领域得到广泛应用。以下将简单介绍几个方面。(1)DSP在多媒体通信中的应用多媒体包括文字、语言、图像、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据，而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的，只有采用先进的压缩编码算法对其进行压缩，节省储存空间，提高通信线路的传输效率，才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息，并具有较强的交互性。因此，DSP在语音编码、图像压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。如今的DSP基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。（2）DSP技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用计算机进入电力系统调度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而电力系统数据采集和测量是SCADA的基础部分。传统的模拟量的采集和获得，通过变送器将一次PT和CT的电气量变为直流量，在进行A/D转换送给计算机。应用了交流采用技术以后，经过二次PT、CT的变换后，直接对每周波的多点采样值采用DSP处理算法进行计算，得到电压和电流的有效值和相角，免去了变送器环节。这不仅使得分布布置的分布式RTU很快地发展起来，而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。（3）仪器仪表领域的应用DSP已经涉足测量仪表和测试仪器行业,而且大有取代高档单片机的趋势。使用DSP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平。新款DSP丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路,实现仪器仪表的SOC(SystemOnChip,即片上系统)设计。仪器仪表的测量精度和速度是两项重要的指标,而使用DSP芯片开发产品可使这两项指标大大提高。以TMS320F2810为例,其高效的32位CPU内核、优异的12位A/D转换器、丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为人们开发快速、高精度仪器搭建了广阔的平台。（4）消费类电子产品中的应用DSP是消费类电子产品中的关键器件。由于DSP的广泛应用,数字音响设备的更新换代周期变得如此短暂。用于图像处理的DSP,目前已形成一个品种不少的产品群。一种是JPEG标准的静态图像数据处理的DSP;另一种是用于动态图像数据处理的DSP。(5)DSP在软件无线电的应用软件无线电是一种新的无线通信技术，是基于同一硬件平台上、安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台，他可进一步扩展至有线领域。随着DSP技术的发展和应用的成熟，特别是低功耗DSP芯片的出现，使软件无线电的应用研究成为热点。软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化和互操作性好等一系列优点。其体系结构有电源、天线、多带射频转换器和A/D/A变换器与DSP组成。信号的数字化是实现软件无线电的先决条件。关键步骤是以可编程能力强的DSP来代替专用的数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并可对工作频率、系统频宽、调制方式和新品编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。