1.1 DSP簡介

數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。

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數字信號處理應用的發展。反過來，數字信號處理的應用又促進了數字信號處理理論的提高。而數字信號處理的實現則是理論和應用之間的橋梁。

顧名思義，DSP主要應用在數字信號處理中，其目的主要是為了能夠滿足實時信號處理的要求，因此需要將數字信號處理中的常用運算執行的盡可能快，這就決定了DSP的特點和關鍵技術。適合數字信號處理的關鍵技術主要有：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址產生器、零開銷循環等；提高處理速度的關鍵技術主要有：流水線技術、并行處理技術、超常指令（VLIW）、超標量技術、DMA等。

從廣義上來講，DSP、微處理器和微控制器（單片機）等都屬于處理器，可以說DSP是一種CPU。DSP和一般的CPU又不同，最大的區別在于：CPU是馮·諾伊曼結構；而DSP是數據和地址空間分開的哈佛結構。

數字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍非常廣。例如，在數學領域，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，與網絡理論、信號與系統、控制理論、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?？梢哉f，數字信號處理是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。

1.1.1 DSP的發展

下面主要從DSP芯片的發展概況、DSP國內的發展概況以及DSP技術的發展概況三個方面來介紹DSP的發展。

1.DSP芯片的發展概況

世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司發布的S2811，1979年美國Intel公司發布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片內部都沒有現代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP芯片。在此之后最成功的DSP芯片當數美國德州儀器公司（Texas Instruments，TI）的一系列產品。

TI公司在1982 年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010 及其系列產品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等。這類芯片采用微米工藝、NMOS技術制作，運算速度非常快。在語音合成和編碼器中得到廣泛的應用。

之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5x/C54x，第二代DSP芯片的改進型TMS320C2xx，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8x以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62x/C67x等。

TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即TMS320C2000系列（包括TMS320C2x/C2xx）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5x/C54x/C55x）和TMS320C6000系列（TMS320C62x/C67x）。

如今，世界上DSP芯片有300多種，生產公司80多家。TI公司的一系列DSP產品已經成為當今世界上最具影響力的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應商，其DSP市場份額占全世界份額近50%。通過幾十年的發展，DSP產品的應用已經擴大到各個領域，并逐漸成為電子產品更新換代的決定因素，目前DSP市場的前景十分廣闊。

2.DSP國內的發展概況

國內發展DSP的廠商并不多，我國DSP的產品主要來源于海外。而主要的應用產品是DVD與無線電話等，因此國內DSP的產值并不高；在產品應用方面，目前主要的DSP應用產品有行動電話、調制解調器、HDD等個人計算機與通信領域應用產品，都是采用國際公司的DSP芯片。

對于DSP的發展，與國外相比，中國在軟件、硬件的水平上有很大的差距，還有很長的一段路程要走。近年來，在國內一些專業DSP用戶的推動下，中國DSP市場增長迅速。在DSP應用方面，中國一直保持著與國際上DSP技術同步的態勢，從DSP芯片面世開始，中國就有單位應用、銷售DSP芯片。隨著中國社會數字化、信息化的進展和中國經濟的持續穩定增長，刺激了電子信息產業和市場的快速發展，推動了DSP的廣泛應用。DSP技術已日漸應用到我們生活中的每一個角落，從軍用到民用，從航空航天到生產生活，DSP的應用越來越普及。

在未來的發展上，國內的業者如欲進入DSP領域，在目前這個壟斷市場情況相當明顯的形式下，應避免與國際公司在其擅長的領域正面交鋒，若能另辟市場，選擇有利于自己的產品進行發展，例如消費性電子產品市場，前景非常廣闊，目前國內已有相當不錯成績的DVD產品即為一成功的例子。

3.DSP技術的發展概況

DSP技術的發展根據其內涵主要分為兩個領域：即數字信號處理的理論和方法的發展；DSP處理器性能的提高。

（1）數字信號處理的理論和方法的發展

數字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，所涉及的范圍比較廣。在數學領域，概論統計、隨機過程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具，數字信號處理與網絡理論、信號與系統、控制理論、通信理論等也都有著很重要的聯系。在近些年的新興學科里，例如人工智能、神經網絡、模式識別等都與數字信號處理密不可分。

在算法的研究方面，數字信號處理主要研究如何以最小的運算量和存儲器使用量來完成特定的任務。對于數字信號處理來說，其最核心的部分就是算法的實現。即采用軟件、硬件或者軟件與硬件結合的方法來實現各種算法。目前各種快速算法的實現已經成為研究的熱點之一。

（2）DSP處理器性能的提高

為了滿足廣大消費者和市場的需求，隨著微電子科學技術的進步，DSP處理器的性能也正在迅速的提高，目前的時鐘頻率已經達到1.1GHz，處理速度已經達到90億次/秒，32位浮點運算，數據吞吐量已經達到2Gbit/s。而且在性能提高的同時，體積、成本和功耗大幅度的下降。

DSP的發展在如上的兩方面是相互促進的，理論和算法的研究推動著應用，而應用的需求又促進了理論的發展。

1.1.2 DSP的特點

本節主要從硬件、軟件及系統三個方面來分別介紹DSP的特點。

1.硬件特點

（1）改進的哈佛（Modified Harvard）架構（見圖1-1）

具有兩條內部總線：數據總線、程序總線。程序與數據存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數據總線，取指和讀數可以同時進行，目前已達到90億次浮點運算/秒（9000MFLOPS）。

（2）采用流水線技術

計算機對于每一條指令的執行劃分為取指令、譯碼、取數、執行運算等步驟，需要若干指令周期、由片內多個功能單元分別完成。流水線技術是將各個步驟重疊起來執行（見圖1-2），相當于多條指令并行執行，從而大大提高了運算速度。

（3）獨立的硬件乘法器

乘法指令在單周期內完成數字濾波、優化卷積、FFT、相關、矩陣運算等算法中的大量重復乘法。

（4）循環尋址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令

循環尋址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。1024點FFT的時間已小于1μs。

（5）獨立的DMA總線和控制器

有一組或多組獨立的DMA總線，與CPU的程序、數據總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下，TT公司C6000系列的某些DSP，其DMA速度已達800Mbyte/s以上。

（6）多處理器接口

多個處理器的使用，可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

（7）JTAG標準測試接口（IEEE 1149標準接口）

便于對DSP片上系統的在線調試，支持多個DSP同時進行調試。

（8）低功耗

采用低功耗技術的DSP芯片功耗僅有0.1W，可以用電池供電。一般芯片的功耗大約為0.5～4W。

（9）運算精度高

以前的DSP字長位8位，后來逐步提高到16位、24位、32位。有的為了防止計算過程中的溢出更高至40位。

2.軟件特點

（1）立即尋址

操作數為立即數，可直接從指令中獲取。例：MOV A，@0x16；將常數0x16送給寄存器A。

（2）直接尋址

比如，TI公司的TMS320系列芯片將數據存儲器分為512頁，每頁128字。設置一個數據頁指針DP（Data Pointer），用9bit指向一個數據頁，再加上一個7bit的頁內偏移地址，形成16bit的數據地址。這樣有利于加快尋址速度。

（3）間接尋址

① 8個輔助寄存器，由一個輔助寄存器指針指定一個輔助寄存器算術單元作16bit無符號數運算，決定一個新的地址，裝入輔助寄存器中的一個。

② 8個輔助寄存器的內容相當靈活，可以裝入、加上或減去立即數；可以從數據存儲器裝人地址；還可以作一些變址尋址。

③ 由于采用反向迸位，得以實現位倒序尋址。

（4）獨特的乘法指令

例如：乘加匯編指令

MAC X0，Y0，AX：（R0）+，X0Y：（R4）+N4，Y0這條指令的意思是：將寄存器X0和Y0中的數相乘，結果加至累加寄存器A中；將指針R0所指向的X存儲器地址中的值裝入寄存器X0，指針R0的值加1，即指針指向下一個數據；將寄存器R4所指向的Y存儲器地址中的值裝入寄存器Y0，指針R4的值加N4，即指針位置從當前位置移動R4個指針類型長度。

3.系統特點

基于DSP芯片的數字信號處理系統與傳統的模擬信號處理系統相比具有以下幾個優點：

（1）精度高，穩定性好，抗干擾能力強

精度僅受到量化誤差和有限字長的影響，處理過程不引入其他噪聲，因此具有較高的信噪比。另外，模擬系統的性能受到元器件參數性能的影響比較大，而數字系統基本不變，因此數字系統更便于測試、調試及批量生產。

（2）編程方便，容易實現復雜的算法（含有自適應算法）

DSP系統中，DSP芯片提供了一個高速計算平臺，系統功能依賴于軟件編程實現。當其與現代信號處理理論和計算數學相結合時，可以實現復雜的數字信號處理能力。

（3）接口簡單、方便

由于數字信號的電氣特性簡單，不同的DSP系統相互連接時，在硬件接口上容易實現。在數據流接口上，各系統間只要遵循特定的標準協議即可。

（4）集成方便

現代DSP芯片都是將DSP芯核及其外圍電路綜合集成在單一的芯片上。這種結構便于設計便攜式高集成度的數字產品。

（5）可程控

當系統的性能和功能發生改變時，不需要重新設計、裝載和調試。如實現低通、高通、帶通等不同的數字濾波；虛擬儀器中的濾波器、頻譜儀；軟件無線電中不同工作模式下的通信等。

另外，現代DSP芯片作為可編程超大集成電路（VLSI）器件，通過可下載的軟件和固件來實現數字信號處理功能。DSP芯片除具備普通微處理器的運算和控制功能外，還針對高數據傳輸速率、數值運算密集的實時數字信號處理，在處理器結構、指令系統和指令流程設計上進行了很大的改進。

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任務，如與模擬交換線的電話接口，若采用DSP則使成本增加。DSP系統中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且DSP系統消耗的功率也較大。此外，DSP技術更新的速度非?？?，數學知識要求多，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它在通信、語音、圖像、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的技術應用

DSP最早是指一種信號處理技術，直到20世紀80年代初第一個商用數字處理器問世，DSP才逐步成為一種全新高速處理器的名稱。最初DSP的應用在于專業數據通信和語音處理，各種專用調制解調器、聲碼器、數據加密機等。其后DSP應用擴展到廣泛的民用產品，諸如硬盤驅動器、通用調制解調器、數字答錄機、無線通信終端。20世紀90年代中期，DSP在數字GSM手機和無線基站應用中都獲得了巨大的成功。與此同時，DSP開始全面拓展到新興應用，并在寬帶通信、數字控制、數字音頻、數字視頻等眾多市場上捷報頻傳。

作為一種重要的處理器，DSP已經處于數字信息產品核心引擎的地位，面對中外如此巨大的市場空間，更好的DSP應用有待我們去努力挖掘。

綜上所述，DSP主要應用在如下幾個方面：

1.通信的應用

DSP技術在通信方面的應用，主要用于移動電話、IP電話（voice over IP）、ADSL和HFC的信號傳輸。

下面主要以移動電話為例來說明DSP技術應用的重要性。

數字化移動電話基本上可劃為兩大類：高速移動電話和低速移動電話。

（1）高速移動電話

高速移動電話，顧名思義是在高速移動體里使用的電話，諸如可在飛機、輪船和汽車里自由通話的電話。雖然數字化高速移動通信標準很多，但當今普遍應用的是歐洲GSM（Global System for Mobile Communication）標準。自從推出數字化蜂窩式電話機以來，現已遍布全球70多個國家廣泛應用。俗稱GSM標準的數字化蜂窩電話，叫做數字化大哥大，它具備國際漫游（Roaming）功能，SIMC（Subscriber Identification Module Card）給用戶帶來使用大哥大的方便?，F正在擴展數據通信服務能力以及它與ISDN系統兼容性，例如，英國BT公司的Cellnet部已經利用GSM提供數字化數據和傳真服務，東芝筆記本電腦也安上了數字化的大哥大。

（2）低速移動電話

所謂低速移動電話，當然在高速移動體里完全不能應用，然而在步行速度下卻很好用，價格遠比數字化大哥大便宜得多，因此稱為窮人的大哥大。低速移動電話就其實質而論，它是數字化無繩電話，仍然保持模擬式無繩電話的子母式結構：子機亦稱為手機，可以距母機百米左右半徑內的空間里自由步行移動情況下實現通話；母機也稱為基地站，可作為家庭里的留守電話，也可懸掛在商店的墻壁上，街道的電線柱上，廣為分布。它由統一的交換設施進行管理，實現無縫交遞（SeamlessHandOn）功能。這類低速移動電話式標準有很多種。例如，歐洲較為普遍應用的DECT（DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion），日本、南韓、東南亞應用的PHS（Personal Handy phone System）以及Philips和我國聯合開發的DCCT（DigitalChinaCordlessTelephone）。其中，尤以PHS和DECT制式低速移動電話發展較快。數字化移動電話（包括高速和低速）的每個手機，都要用至少1個DSP處理器，因此，高速發展的數字化移動電話急需大量的DSP器件。

在無線通信應用中，手機終端無疑都有DSP核心，而2.5G和3G終端的發展將依靠DSP平臺，其中包括智能手機。同時，無線基礎設施亦離不開高性能DSP，新一帶無線交換機和基站將會因采用更低功耗的DSP而縮小空間易于裝備。在寬帶網絡應用上，從局端到接入端設備，DSP無處不在。雖然在計算機中CPU仍是主角，但在一些嵌入式應用中DSP已經在發揮作用，比如作為影像加速器、實時媒體編解碼器、嵌入式調制解調器等。在某些場合的應用中，集成有RISC處理器的DSP平臺已經可以勝任主處理器的工作，體現出通信與計算機應用的融合。

2.數字控制的應用

DSP技術在數字控制中的應用也有很大發展，主要用于電機控制、光驅和硬盤驅動器。

隨著多媒體信息化的發展，各種信息存儲媒體產品應運而生。諸如磁盤存儲器、CD-ROM和DVD-ROM新產品紛紛上市。目前的磁盤驅動器HDD，存儲容量已相當可觀，普通PC的HDD的存儲容量已高達1GB以上。而小型的HDD正在向高密度、高存儲容量和高速存取方向發展，其控制器必須具備高精度和高速響應等特性，它對所使用的DSP性能也具有很高的要求，因此高速DSP是必不可少的關鍵器件。

HDD和光盤機的控制器里之所以必須利用高速DSP，主要是利用其高速“積和”處理能力。因為盤片旋轉控制、磁頭定位控制和光盤中的激光束聚焦控制，都是采用數字伺服與系統控制技術。這是建立在數學模型基礎之上的現代控制技術，通過復雜的矩陣運算實現控制，因此絕不可能沒有高速運算的DSP。

在工業變頻器中，其中DSP應用所占的比例也在增加。更多的DSP微控制項目不但圍繞工業應用，如縫紉機、銹花機、雕刻機、噴繪機等，而且還拓展到健身器材等一些新的市場領域。

數字監控系統在中國仍是市場的一個熱點，業內專家預計目前國內需求將突破一百萬路。幾年來數字系統已經逐步取代傳統模擬系統，而目前基于MPEG4的數字系統又全面取代MPEG-1系統，已有領先廠商推出基于H.264的數字系統并投入市場。在早期的MPEG-1類產品中，視頻有專用芯片，DSP只處理語音。在MPEG4及H.264類產品中，DSP全面完成視頻和語音處理工作。

3.數字圖像處理的應用

DVD里應用的活動圖像壓縮/解壓縮用MPEG2編碼/譯碼器，同時也廣泛地應用于視頻點播VOD、高品位有線電視和衛星廣播等諸多領域。

在這些領域里，應用的DSP必須具備更高的處理速度和功能。而且，活動圖像壓縮/解壓技術也在迅速的發展和更新。例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構圖像質量，于是出現了對以視覺感知特性為指導的小波分析圖像壓縮方法。新算法的出現，要求相應的高性能的DSP。近來，日本各大學和高技術企業對于開發虛擬現實VR系統，投入相當大的力量，利用現代計算機圖像學CG生成三維圖形，迫切需要多個DSP并行處理系統。

彩色靜止圖像壓縮/解壓，目前普遍應用JPEG標準，其核心算法為離散余弦變換。JPEG編碼/譯碼器的應用，除了數字化照相機之外，估計彩色打印機和彩色掃描器也將要應用。因此，對于普通DSP的應用量必將日益增長。

4.數據調制解調器的應用

眾所周知，數字信號處理器的傳統應用領域之一，就是調制解調器。如今，調制解調器作為聯系通信與多媒體信息處理系統的紐帶，日益受到人們的廣泛關注。特別是隨著近年來Internet熱潮，普通百姓在Internet上沖浪蔚然成風。利用PC通過調制解調器經由電話線路，實現撥號連接Internet已是最簡便的訪問形式。由于Internet用戶急劇增加，一度致使28.8kbps的調制解調器成為市場上的脫銷產品。特別是由PC上利用瀏覽程序調用活動圖像信息時，期望使用數據傳送速度更高的調制解調器。為適應這種新需求，國際上已制訂出高速（33.6kbps）調制解調器國際標準。這就意味，在高速調制解調器里需要更高性能的DSP器件。這種33.6kbps的調制解調器（V.34）是為傳送數據而設計的，在此基礎上發展出DSVD調制解調器，它既可傳送數據又可傳送聲音。無疑，這將會需要更高功能的DSP器件。

隨著高性能調制解調器不斷出現，似乎低速的調制解調器如V.17（14.4kbps）再也沒有用武之地。事實上，恰恰相反，如今信息家電抬頭，例如PHS母機留守電話與個人FAX一體化的產品大量上市。這就是說，V.17（14.4kbps）型的調制解調器仍有市場。于是，各種調制解調器里要求的DSP也是多種多樣的。

5.汽車電子系統的應用

汽車電子系統日益興旺發達，諸如裝設紅外線和毫米波雷達等，將需要用DSP進行分析。如今，隨著汽車的需求量越來越大，以及對汽車產品性能的要求越來越高，防沖撞系統已成為研究熱點。而且，利用攝像機拍攝的圖像數據需要經過DSP處理，才能在駕駛系統里顯示出來，供駕駛人員參考。因此DSP在汽車電子系統領域的應用也越來越廣泛。

6.其他領域的應用

DSP技術在航空航天方面，主要用于雷達和聲納信號處理；在測試/測量方面，主要用于虛擬儀器、自動測試系統、醫療診斷等；在電子娛樂方面，主要用于高清晰度電視（HDTV）、機頂盒（STB）、AC-3、家庭影院、DVD等；此外，數碼相機、網絡相機等都應用了DSP技術。

同時，SOC片上系統、無線應用、嵌入式DSP都是未來DSP的發展方向和趨勢?？梢哉f，沒有DSP就沒有對互聯網的訪問，也不會有多媒體，也沒有無線通信。因此，DSP仍將是整個半導體工業的技術驅動力?，F在，DSP應用領域不斷拓寬，其涵蓋面包括寬帶Internet接入業務、下一代無線通信系統的發展、數字消費電子市場、汽車電子市場的發展等諸多方面。

DSP的應用領域可以說是不勝枚舉。電視會議系統里，也大量應用了DSP器件。視聽機器里也都應用了DSP。隨著科學技術的發展，數字化進程的加速，更多的數字消費類產品中都采用了DSP。以后將會出現更多的DSP應用新的領域。