数字信号处理的应用和发展前景

数字信号处理的应用与发展趋势作者：王欢天津大学信息学院电信三班摘要：数字信号处理是应用于广泛领域的新兴学科，也是电子工业领域发展最为迅速的技术之一。本文就数字信号处理的方法、发展历史、优缺点、现代社会的应用领域以及发展前景五个方面进行了简明扼要的阐述。关键词：数字信号处理发展历史灵活稳定应用广泛发展前景数字信号处理的简介1.1、什么是数字信号处理数字信号处理简称DSP，英文全名是DigitalSignalProcessing。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP系统的基本模型如下：数字信号处理是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。它以众多的学科为理论基础，所涉及范围及其广泛。例如，在数学领域、微积分、概率统计、随即过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具；同时与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等学科也密切相关。近年来的一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是与数字信号处理密不可分的。数字信号处理可以说许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一门新兴学科的理论基础。1.2、数字信号系统的发展过程数字信号处理技术的发展经历了三个阶段。70年代DSP是基于数字滤波和快速傅里叶变换的经典数字信号处理,其系统由分立的小规模集成电路组成,或在通用计算机上编程来实现DSP处理功能,当时受到计算机速度和存储量的限制,一般只能脱机处理,主要在医疗电子、生物电子、应用地球物理等低频信号处理方面获得应用。80年代DSP有了快速发展,理论和技术进入到以快速傅里叶变换(FFT)为主体的现代信号处理阶段,出现了有可编程能力的通用数字信号处理芯片,例如美国德州仪器公司(TI公司)的TMS32010芯片,在全世界推广应用,在雷达、语音通信、地震等领域获得应用,但芯片价格较贵,还不能进入消费领域应用。90年代DSP技术的飞速发展十分惊人,理论和技术发展到以非线性谱估计为代表的更先进的信号处理阶段,能够用高速的DSP处理技术提取更深层的信息,硬件采用更高速的DSP芯片,能实时地完成巨大的计算量,以TI公司推出的TMS320C6X芯片为例,片内有两个高速乘法器、6个加法器,能以200MHZ频率完成8段32位指令操作,每秒可以完成16亿次操作,并且利用成熟的微电子工艺批量生产,使单个芯片成本得以降低。并推出了C2X、C3X、C5X、C6X不同应用范围的系列,新一代的DSP芯片在移动通信、数字电视和消费电子领域得到广泛应用,数字化的产品性能价格比得到很大提高,占有巨大的市场。1.3、数字信号处理的特点1.3.1、优点由于数字信号处理是用数值运算的方式实现对信号的处理的，因此，相对于模拟信号处理，数字信号处理具有以下优点：1）灵活性数字信号处理系统的性能取决于系统参数，这些参数存储在存储器中，很容易改变，因此系统的性能容易改变，甚至通过参数的改变，系统可以变成各种完全不同的系统。灵活性还表现在数字系统可以分时复用，用一套数字系统分时处理几路信号。数字系统可以实现智能系统的功能，可以根据环境条件、用户需求，自动选择最佳的处理算法。高精度和高稳定性数字系统的特性不易随使用条件的变化而变化，尤其是使用了超大规模集成的DSP芯片使设备简化，近一步提高了系统的稳定性和可靠性。运算位数又由8位提高到16、32位，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统相比拟的。3）便于大规模集成数字部件具有高度规范性，对电路元件参数要求不严，容易大规模集成和大规模生产，价格不断降低，这也是其发展迅速的主要因素之一。同时由于大规模集成，数字系统体积小、重量轻、可靠性强。可以实现模拟系统无法实现的诸多功能数字信号可以存储，数字系统可以进行各种复杂的变换和运算。这一优点使得数字系统可以实现模拟系统无法实现的诸多功能，例如，电视系统中的画中画，多画面以及各种视频特技；变声变调的特殊的配音制作；解卷积；图像信号的压缩编码；高级加密解密；数字滤波器严格的线性相位特性，等等。1.3.2、局限性金无足赤人无完人，数字信号处理作为正在发展的一门学科，它必然有一定的局限性：1)实时性模拟系统中除开电路引入的延时外，处理是实时的。而数字系统:由计算机的处理速度决定。2)高频信号的处理模拟系统可以处理包括微波毫米波乃至光波信号，而数字系统:按照奈奎斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制。3)模拟与数字信号的转换现实世界的信号绝大多数是模拟的(温度、速度、压力等)，转换成的电信号也是模拟的(电流、电压等)。要实现数字处理，就必须进行转换。所以一般在一个DSP系统中都有数/模或模/数转换电路，这也限制了DSP的应用。数字信号处理的应用领域DSP是目前电子工业领域增长最迅速的产品之一，近年来，随着DSP芯片产品价格的不断下滑，使DSP能够从以往的军用领域迅速拓展到民用领域，例如应用于计算机、网络、移动电话、调制解调器和磁盘驱动器以及众多的消费电子产品。例如：1）数字化移动电话数字化移动电话尽管花样繁杂，但基本上可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。虽然数字化高速移动通过标准很多，但当今普遍应用的是欧洲GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）标准。俗称GSM标准的数字化蜂窝电话，叫作数字化大哥大，它具备国际漫游功能，给用户带来使用大哥大的方便。现正在扩展数据通信服务能力以及它与ISDN系统兼容性。低速移动电话就其实质而论。它是数字化无绳电话，仍然保持模拟式无绳电话的子母式结构：子机亦称为手机，可以距母机为百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通过话；母机也称为基地站，可作为家庭里的留守电话，也可悬挂在商店的墙壁上，街道的电线柱上，广为分布。由统一的交换设施进行管理，实现无缝交递（SeamlessHandOn）功能。这类低速移动电话式标准很多。数字化移动电话（包括高速和低速）的每个手机，都要用至少1个DSP器，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。2）数据调制解调器数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。调制解调器作为联系通信与多媒体信息处理系统的纽带，日益受到重视。利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet已是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加，一度致使28．8Kbps的调制解调器成为市场上的脱销产品。特别是由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息时，期望使用数据传送速度更高的调制解调器。为适应这种新需求，国际上已制订出高速（33．6Kbps）调制解调器国际标准。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。3）磁盘／光盘控制器需求随着多媒体信息化的发展，各种信息存储媒体产品都应运而生，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM新产品纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量已高在1GB以上，详见照片4。小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速响应特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。4）图形图像处理需求DVD里应用的活动图像压缩／解压缩用MPEG2编码／译码器，同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。在这些领域里，应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现，要求相应的高性能DSP。最近，日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统，投入相当力量，利用现代计算机图像学CG生成3维图形，迫切需要多个DSP并行处理系统。其中，系统里的结点DSP单元，要求采用与并行处理相适应的体系结构。5）汽车电子系统及其它应用领域汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。6）声音处理。声音数字压缩技术早已获得应用，其中以脉冲编码调制(PCM)的方法最普遍。但由于它只能压缩50%数字，因此仍未足以应付未来计算机应用。DSP已经在音效应用中得到广泛采用，而且大部分应用于音效产品的技术，例如应用于多媒体音效卡。NEC公司推出了控制声音区域的DSP，可以应用于音效卡。新加坡音效卡供应商CreativeTechnology的技术销售专家IanSkelton强调指出，DSP面市后，语音便成了工作重点。改进DSP，就能改进语音的吞吐量，从而减轻PC的负荷及改进语音。目前CreativeTechnology正从事语音和多媒体等方面的研究，让用户感到更方便。未来10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心，将会越来越受到业界的青睐。面对新世纪的网络产品、消费类电子产品以有无线通信等领域不断涌现的新应用，DSP产品在不断地提高性能和增加功能的同时，正在不断地降低功耗和减小体积，以便适应市场的需求。”数字信号处理的发展前景1）努力向系统级集成迈进缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间，是一个重要的发展趋势。2）进一步改善DSP的内核结构DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计，以极大改进产品性能。多通道结构和单指令多重数据（SIDM）、超常指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的哈佛（SHARC）结构，在新的高性能处理器中将占据主导地位。3）可编程是DSP主导产品可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微处理器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。4）追求更高的运算速度，进一步降低功耗和几何尺寸由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更快更高的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗几何尺寸的降低是完全可能的。例如，采用0.13μm最新半导体工艺制造的μPD77210用1.5V低电压供电，功耗仅为以往产品的一半。5）与其它可编程器件结合DSP的许多新应用需要比传统DSP具有更加强大的数字信号处理能力，设计者往往会借助PLD和FPGA来满足日益提高的信号处理需求。与常规DSP器件相比，FPGA器件配合传统DSP器件可以处理更多信道，可在基站中用来实现高速实时处理，满足无线通信、多媒体等领域多功能和多性能的需要。6）DSP嵌入式系统DSP嵌入式系统是DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。这种系统既具有DSP器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器MCU。因此，将DSP与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的新潮流。7）专用DSP芯片针对特定的终端应用，DSP器件也逐渐从传统的通用性处理器中分离出