DSP在通信系统中的应用与发展

DSP在通信系统中的应用与发展摘要：数字信号处理器（DSP）是一种具有特殊结构的微处理器，特别适合于数字信号处理运算。它是当今发展最为迅速和前景最为可观的技术之一。自从20世纪80年代第一片DSP芯片诞生至今。其性能得到了极大的提高。应用领域取得了不断的拓展。日前它己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电产品不可或缺的基础器件,尤其在通信领域,数字信号处理器以其实时快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。随着超大规模集成电路技术（VLSI）的高速发展。DSP的性价比也在不断提高。本文是在本学期学习了《数字信号处理与DSP技术》后，对DSP在通信系统中的应用现状及发展趋势作的简单介绍。一、DSP器件、厂商简要介绍DSP，也称作数字信号处理器（DigitalSignalProcessor），是一种具有特殊结构的微处理器，主要对数字信号进行实时处理，以得到相应的处理结果。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。在DSP出现之前，数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但由于MPU处理速度较低，无法满足越来越大的信息量的高速实时要求，因此寻求更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求。到了60年代，有人提出了DSP的理论和算法基础，数字信号处理的理论得以迅速发展。1978年AMI公司宣布的S2811，标志着世界上第一个DSP的诞生，1979年美国Intel公司推出商用可编程器件2920。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器，其应用领域很局限，但是DSP的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。经过20多年的发展，DSP芯片的性能价格比不断提高，开发手段越来越完善。DSP芯片的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，已经在通信与电子系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器在等许多领域得到广泛的应用，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。可以毫不夸张的说，DSP芯片的诞生及发展二十多年来，对通信、计算机、控制等领域的发展起到十分重要的作用。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。而这种广泛的应用又成为促进芯片飞速发展的动力。目前，生产DSP芯片的厂商主要有美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI），AD公司，AT&T公司和Motorola公司，其中最成功的公司当属TI公司，它在1992年成功地推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品之后,相继推出了第二代TMS32020，第三代TMS32030，第四代TMS32040，第五代TMS320C50/TMS320C54X，以及目前最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。如今,TI公司已经成为世界上最大的DSP芯片供应商，其市场占有量占全世界份额的近50%与TI公司相比，其它几家公司在市场上也占有一定的份额。他们的产品也都有各自的特点,如AD公司的芯片具有系统时钟一般不经分频而直接使用。串行口带有硬件压扩。可编程等待状态发生器等。但总的来说，目前比较流行的应用都是基于TI公司的DSP芯片。二、DSP的特点与分类2.1DSP的特点（1）虽然应用于不同领域的DSP有不同的型号,但其内部结构大同小异,都具有哈佛(Harvard)结构的特征.其片内程序空间与数据空间是分开的,而且,还允许数据空间和程序空间之间相互传送数据,即改进的哈佛结构。（2）支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以并行执行。利用流水线结构加上执行重复操作，在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加（MAC）运算。（3）能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。所以,在DSP中集成了多个片内总线和多端口片内存储器。（4）许多DSP芯片内部都采用多总线结构，且片内具有快速RAM，可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间。（5）为了更好的满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些特殊的指令。如，处理器中的运算大多是重复的运算，为了方便使用，大部分DSP都支持这种重复运算，而不用额外编写重复运算的指令。（6）为了加快处理器中的运算，在DSP中集成了多个地址产生单元，以支持循环寻址和位翻转寻址。（7）快速的中断处理和硬件I/O支持。大部分DSP都提供多个串行或并行I/O接口，以及特别I/O接口来处理特殊的数据，以降低成本和提高输出/输入性能。2.2DSP的分类DSP芯片的分类有三种不同的方式。按用途可分为通用型和专用型两大类。通用型DSP芯片是一种软件可编程的DSP芯片,可适用于各种DSP应用。专用型DSP芯片则将FFT、数字滤波和卷积等算法集成到DSP芯片内部，一般适用于某些专用的场合，便于提高信号处理的速度。按照数据格式可分为定点和浮点度两种。它代表了DSP芯片工作的数据格式,值得注意的是,不同浮点DSP所采用的浮点格式也不完全一样，有的浮点DSP采用自定义的格式。按照基础特性分类,则可分出静态DSP芯片和一致性DSP芯片两大类，如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上。DSP芯片都能正常工作，没有性能上的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片，如果两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码管脚结构相互兼容，则这类芯片称为一致性DSP芯片。三、DSP在通信系统中的应用DSP技术己广泛应用于通信领域。近几年，DSP芯片应用软件和系统迅猛发展，每年以40%迅速增长。在通信与网络设备方面产品包括呼叫处理系统、语音信箱系统、音频语音处理系统、高速调制解调器、卫星调制/解调器、综合业务数字网、远程访问集线器、网络计算机系统、语音识别与合成系统等。由于可编程DSP的灵活性和不断增强的运算能力，将使其应用到许多日前尚未涉及的领域。由于DSP芯片的特殊构造以及运算能力,使其具备成为独立高速信号处理系统核心的能力.目前DSP在通信系统中的应用主要集中在以下几个方面。3.1语音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,语音质不如波形编码。在实际过程中,各种压缩系统采用不同的算法和标准,但其基本原理和处理方法是相同的,一个典型的语音压缩系统的原理如图1所示。图1语音压缩原理语音压缩/解压缩的过程主要包括语音输入、A/D转换、DSP压缩/解压缩处理、D/A转换、语音输出几部分。输入包括采集信号、滤波放大等过程;语音信号的压缩/解压缩就是采用一定的算法和标准对数据进行压缩/解压缩,这是语音压缩技术的核心;输出部分包括信号的转换、滤波、放大和信号输出。绝大多数的DSP芯片能够在一个指令周期内完成一次加法和乘法运算,这就有利于数字信号的快速处理,因此非常适合语音信号的压缩处理。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(LPC)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户就是一种合适的选择，利用DSP开发嵌入式的语音编解码系统正是当前研究的热门之一，在网络会议、语音通信、监控系统等领域中都是,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,而且使系统的设计变得简单可靠性也语音输入语音输入放大DSP放大滤波滤波A/DD/A大为提高。自从20世纪80年代以来,国际上一些著名的通信研究机构和大学院校大力开展了这种高质量低码率编码技术的研究,一些算法迅速走向成熟,随着DSP技术的发展,这些成果得到了广泛应用。如G.729算法被称为CS-ACELP(共轭结构代数码激励线形预测),它构成了G.729标准的基础。它在标准PCM或线形PCM的话音采样基础上,每10ms生成1个10bit长的话音帧。对于每一个话音帧提取CELP模型参数,在对这些参数在编码后以每帧80bit进行信道传输,原理如图2所示。图2CS－ACELP编码图3CS－ACELP的解码过程在解码端,接收到的比特流通过激励码本解码成相应的CELP参数,再通过综合滤波器重建语音帧,最后经过后处理进行语音增强。图3表示了CS-ACELPLPC信息综合滤波器预处理感知权重固定码本自适应码本+GF+LP分析量化内插值输入语音间隔分析固定CB插索增益量化参数编码传输位置LPC信息固定码本自适应码本+GFGE综合滤波器后处理GE的解码过程。这个算法提供了优秀音质,且延时很小。但是它要求处理器有强大的运算和处理能力,而先进的定点运算数字信号处理器正好能满足这个要求。对于语音处理来说,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。利用DSP开发嵌入式的语音编解码系统正是当前研究的热点之一,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。3.2软件无线电软件无线电是一种新的无线通信技术,它的基本思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电的各种功能,从基于硬件、面向用途的电台设计方案中解放出来。功能的软件化势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少模拟环节,把数字化处理尽可能地靠近射频天线,建立一个具有“A/D—DSP—D/A”模型的、通用的、开放的硬件平台,在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块,系统的升级是通过软件来实现的。图4软件无线电结构图4给出了典型的软件无线电结构框图。图中天线、多频段变换器、含有A/D和D/A变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部分,可以有效地实现无线电台功能及其所需的接口功能。软件无线电中关键的技术就是高性能的A/D、D/A变换器和以DSP为核心的实时信号处理器,它对DSP的实时性有很高宽带\多频段在线射频部分A/D/A变换器上\下数字变频器高速DSP专用可编程处理器低速DSP计算机网络数字信号天线射频段高速处理段低速处理段的要求。软件无线电系统的工作过程是在射频或中频对接收信号进行数字化,通过软件编程来灵活地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能。在接收时,来自天线的信号经过RF处理和变换,由宽带A/D数字化,然后通过可编程数字信号处理模块实现所需的各种信号处理,并将处理后的数据送至多功能用户终端;同样,在发送时,通过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。软件无线电在通信中,特别是在第3代移动通信中的应用越来越成为研究的焦点。例如在欧洲的ACIS(先进的通信技术与业务)计划中,有多项计划是将软件无线电技术应用在第3代移动通信系统中。美国也正在研究基于软件无线电的第3代移动通信系统的多频带多带宽式手机与基站，使得软件无线电设备升级的成本大幅度降低。同时，软件无线电技术与计算机技术正在不断融合，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正是实现软件无线电的关键所在。软件无线电系统的灵活性、开放性和兼容性等特点主要是通