第1章 DSP系統(tǒng)與DSP芯片

1.1 DSP系統(tǒng)

1.1.1 DSP概述

數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）是一門涉及多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展。近幾十年來，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)在通信、自動(dòng)控制、航空航天、儀器儀表、家用電器等眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合所需的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理是圍繞著數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號(hào)處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了其應(yīng)用的發(fā)展，反過來，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用又促進(jìn)了其理論的提高。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)搭建了理論和應(yīng)用之間的橋梁。

數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域有微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近年來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分?？梢哉f，數(shù)字信號(hào)處理把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

過去，數(shù)字信號(hào)處理通常采用通用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)，通用計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)是速度較慢，單片機(jī)（MCS-51、96系列）由于其自身資源的限制無法應(yīng)用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，專用計(jì)算機(jī)通用性很差且造價(jià)很高。隨著專用和通用DSP技術(shù)的不斷推廣，它極大地推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展與成熟。其中，專用DSP芯片一般是將一些特殊的數(shù)字算法在芯片內(nèi)用硬件加以實(shí)現(xiàn)，用戶無須進(jìn)行編程，這樣的芯片只應(yīng)用于一些對(duì)信號(hào)處理速度要求極高的特殊場(chǎng)合，且芯片價(jià)格昂貴；而通用DSP芯片的通用性很強(qiáng)，非常適合于構(gòu)成運(yùn)算速度較高、結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜的系統(tǒng)，因此它具有很好的應(yīng)用前景。

雖然數(shù)字信號(hào)處理的理論已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但由于硬件技術(shù)發(fā)展水平的限制，數(shù)字信號(hào)處理的理論還得不到廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代末80年代初世界上第一個(gè)單片可編程的DSP芯片誕生，才將理論研究成果廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。因此，可以認(rèn)為DSP芯片的誕生以及發(fā)展對(duì)近30年以來的通信、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域起到了十分重要的作用。

1.1.2 DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)

DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，因此具有數(shù)字處理的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：

① 接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)都是相互兼容的，因此，從接口的實(shí)現(xiàn)上要比模擬系統(tǒng)容易得多。

② 編程方便?？删幊痰腄SP芯片可使設(shè)計(jì)者在開發(fā)過程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。

③ 性能穩(wěn)定。DSP應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因而受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，工作可靠性較高。

④ 精度高。如16位DSP芯片構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)，其精度可達(dá)10-5。

⑤ 可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)變化的影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。

⑥ 集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。

當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，如與模擬交換線的控制接口，若采用DSP則可能會(huì)增加成本。另外，DSP系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能會(huì)帶來高頻干擾和電磁輻射等問題，而且，DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外，DSP技術(shù)需要有豐富的數(shù)學(xué)知識(shí)，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善。

雖然DSP系統(tǒng)存在著一些缺點(diǎn)，但其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其在通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.1.3 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程如圖1-1所示。

在設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運(yùn)算序列、正式的符號(hào)或自然語言來描述。

然后進(jìn)行實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設(shè)計(jì)DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)的要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng)的DSP匯編程序，若系統(tǒng)運(yùn)算量不大且有高級(jí)語言編譯器支持，也可用高級(jí)語言（如C語言）編程。由于現(xiàn)有的高級(jí)語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級(jí)語言和匯編語言的混合編程方法，即在算法運(yùn)算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語言，而運(yùn)算量不大的地方則采用高級(jí)語言。采用這種方法，既可以縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。

當(dāng)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，下一步就是進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于DSP開發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時(shí)一般采用比較實(shí)時(shí)結(jié)果與模擬結(jié)果的方法，若實(shí)時(shí)程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。應(yīng)用系統(tǒng)的其他軟件可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。硬件調(diào)試一般采用硬件仿真器進(jìn)行調(diào)試，如果沒有相應(yīng)的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也可以借助于一般的工具進(jìn)行調(diào)試。

當(dāng)系統(tǒng)的軟硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行了。值得注意的是，DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個(gè)需要反復(fù)驗(yàn)證反復(fù)修改的過程。

1.1.4 DSP的應(yīng)用

現(xiàn)在DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于日常生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，而且應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷地?cái)U(kuò)大，其應(yīng)用范圍主要有以下幾方面：

① 信號(hào)處理，如數(shù)字濾波、快速傅里葉變換、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等；

② 自動(dòng)控制，如工業(yè)控制、引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等；

③ 通信，如數(shù)字移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、可視電話等；

④ 語音，如語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、語音辨認(rèn)、語音郵件、語音存儲(chǔ)等；

⑤ 圖形圖像，如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等；

⑥ 軍事，如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等；

⑦ 儀器儀表，如頻譜分析、函數(shù)產(chǎn)生、鎖相環(huán)等；

⑧ 醫(yī)療，如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等；

⑨ 家用電器，如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。

隨著DSP芯片性價(jià)比的不斷提高，DSP系統(tǒng)將會(huì)在更多的領(lǐng)域內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用。