第1章 DSP系統與DSP芯片

1.1 DSP系統

1.1.1 DSP概述

數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）是一門涉及多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速發展。近幾十年來，數字信號處理技術已經在通信、自動控制、航空航天、儀器儀表、家用電器等眾多領域得到越來越廣泛的應用。

數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數字的形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合所需的信號形式。數字信號處理是圍繞著數字信號處理的理論、實現和應用等幾個方面發展起來的。數字信號處理在理論上的發展推動了其應用的發展，反過來，數字信號處理的應用又促進了其理論的提高。數字信號處理的實現搭建了理論和應用之間的橋梁。

數字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數學領域有微積分、概率統計、隨機過程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具，它與網絡理論、信號與系統、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關。近年來新興的一些學科，如人工智能、模式識別、神經網絡等，都與數字信號處理密不可分。可以說，數字信號處理把許多經典的理論體系作為自己的理論基礎，同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。

過去，數字信號處理通常采用通用計算機、單片機或專用計算機，通用計算機的缺點是速度較慢，單片機（MCS-51、96系列）由于其自身資源的限制無法應用于復雜的數字信號處理，專用計算機通用性很差且造價很高。隨著專用和通用DSP技術的不斷推廣，它極大地推動了數字信號處理技術的發展與成熟。其中，專用DSP芯片一般是將一些特殊的數字算法在芯片內用硬件加以實現，用戶無須進行編程，這樣的芯片只應用于一些對信號處理速度要求極高的特殊場合，且芯片價格昂貴；而通用DSP芯片的通用性很強，非常適合于構成運算速度較高、結構又比較復雜的系統，因此它具有很好的應用前景。

雖然數字信號處理的理論已經有了長足的發展，但由于硬件技術發展水平的限制，數字信號處理的理論還得不到廣泛的應用。直到20世紀70年代末80年代初世界上第一個單片可編程的DSP芯片誕生，才將理論研究成果廣泛應用于實際系統中。因此，可以認為DSP芯片的誕生以及發展對近30年以來的通信、計算機、控制等領域起到了十分重要的作用。

1.1.2 DSP系統的特點

DSP系統是以數字信號處理為基礎的，因此具有數字處理的全部優點：

① 接口方便。DSP系統與其他以數字技術為基礎的系統都是相互兼容的，因此，從接口的實現上要比模擬系統容易得多。

② 編程方便。可編程的DSP芯片可使設計者在開發過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。

③ 性能穩定。DSP應用系統以數字信號處理為基礎，因而受環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芯片構成的數字系統，其精度可達10-5。

⑤ 可重復性好。模擬系統的性能受元器件參數變化的影響較大，而數字系統基本不受影響，因此數字系統便于測試、調試和大規模生產。

⑥ 集成方便。DSP系統中的數字部件有高度的規范性，便于大規模集成。

當然，數字信號處理也存在一定的缺點。例如，對于簡單的信號處理，如與模擬交換線的控制接口，若采用DSP則可能會增加成本。另外，DSP系統中的高速時鐘可能會帶來高頻干擾和電磁輻射等問題，而且，DSP系統消耗的功率也較大。此外，DSP技術需要有豐富的數學知識，開發和調試工具還不盡完善。

雖然DSP系統存在著一些缺點，但其突出的優點已經使其在通信、雷達、生物醫學、工業控制、儀器儀表等許多領域得到越來越廣泛的應用。

1.1.3 DSP系統的設計過程

DSP系統設計的一般過程如圖1-1所示。

在設計之前，首先應根據系統的應用目標確定系統的性能指標、信號處理的要求，通常可用數據流程圖、數學運算序列、正式的符號或自然語言來描述。

然后進行實時DSP系統的設計。設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。硬件設計首先要根據系統運算量的大小、對運算精度的要求、系統成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設計DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設計主要是根據系統的要求和所選的DSP芯片編寫相應的DSP匯編程序，若系統運算量不大且有高級語言編譯器支持，也可用高級語言（如C語言）編程。由于現有的高級語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實際應用系統中常常采用高級語言和匯編語言的混合編程方法，即在算法運算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語言，而運算量不大的地方則采用高級語言。采用這種方法，既可以縮短軟件開發的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統實時運算的要求。

當硬件和軟件設計完成后，下一步就是進行硬件和軟件的調試。軟件的調試一般借助于DSP開發工具，如軟件模擬器、DSP開發系統或仿真器等。調試DSP算法時一般采用比較實時結果與模擬結果的方法，若實時程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應該一致。應用系統的其他軟件可以根據實際情況進行調試。硬件調試一般采用硬件仿真器進行調試，如果沒有相應的硬件仿真器，且硬件系統不是十分復雜，也可以借助于一般的工具進行調試。

當系統的軟硬件分別調試完成后，就可以將軟件脫離開發系統而直接在應用系統上運行了。值得注意的是，DSP系統的開發，特別是軟件開發是一個需要反復驗證反復修改的過程。

1.1.4 DSP的應用

現在DSP技術已廣泛應用于日常生活和生產的各個領域，而且應用領域仍在不斷地擴大，其應用范圍主要有以下幾方面：

① 信號處理，如數字濾波、快速傅里葉變換、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產生等；

② 自動控制，如工業控制、引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等；

③ 通信，如數字移動電話、調制解調器、自適應均衡、數據加密、數據壓縮、回波抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、可視電話等；

④ 語音，如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音辨認、語音郵件、語音存儲等；

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、動畫、機器人視覺等；

⑥ 軍事，如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航、導彈制導等；

⑦ 儀器儀表，如頻譜分析、函數產生、鎖相環等；

⑧ 醫療，如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監護等；

⑨ 家用電器，如高保真音響、音樂合成、音調控制、玩具與游戲等。

隨著DSP芯片性價比的不斷提高，DSP系統將會在更多的領域內得到更廣泛的應用。