數字信號處理芯片的發展和應用

數字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發、工業生產、國防和國民經濟的各個領域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數字信號處理系統的優越性表現為：1.靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，處理系統只需通過改變軟件設計以適應相應的變化。2.精度高：信號處理系統可以通過A/D變換的位數、處理器的字長和適當的算法滿足精度要求。3.可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規模集成：隨著半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優點。

然而，數字信號處理系統由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內遠不如模擬信號處理系統，使得數字信號處理系統的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合進行數字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現和發展，促進數字信號處理技術的提高，許多新系統、新算法應運而生，其應用領域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫療等領域。

70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發展，高速實時數字信號處理技術的要求和數字信號處理應用領域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數據處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現在的40 MIPS以上。DSP芯片內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區的40%左右下降到小于5%，片內RAM增加了一個數量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數目從80年代初最多64個增加到現在的200個以上，引腳數量的增多使得芯片應用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現在的DSP芯片有浮點和定點兩種數據格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使運算精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP開發系統方面，軟件和硬件開發工具不斷完善。目前某些芯片具有相應的集成開發環境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發商為DSP應用軟件的開發準備了通用的函數庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應用軟件開發更為方便，開發時間大大縮短，因而提高了產品開發的效率。

目前各廠商生產的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、ATT公司的DSPX系列、Motolora公司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。

1. 在一個周期內可完成一次乘法和一次累加。

2. 采用哈佛結構，程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據。

3. 片內有快速RAM，通常可以通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問。

4. 具有低開銷或無開銷循環及跳轉硬件支持。

5. 快速中斷處理和硬件I/O支持。

6. 具有在單周期內操作 的多個硬件地址產生器。

7. 可以并行執行多個操作。

8. 支持流水線操作，取指、譯碼和執行等操作可以重疊進行。

隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構造數字信號處理系統作信號的實時處理已成為當今和未來數字信號處理技術發展的一個熱點。隨著各個DSP芯片生產廠家研制的投入，DSP芯片的生產技術不斷更新，產量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應用的范圍不斷擴大，現在DSP芯片的應用遍及電子學及與其相關的各個領域。

典型應用　(1)通用信號處理：卷積，相關，FFT，Hilbert變換，自適應濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調制/解調器，編/譯碼器，自適應均衡器，仿真，蜂房網移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴頻通信，數據加密和壓縮等。(3)語音信號處理：語音識別，語音合成，文字變聲音，語音矢量編碼等。(4)圖形圖像信號處理：二、三維圖形變換及處理，機器人視覺，電子地圖，圖像增強與識別，圖像壓縮和傳輸，動畫，桌面出版系統等。(5)自動控制：機器人控制，發動機控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數發生，數據采集，航空風洞測試等。(7)消費電子：數字電視，數字聲樂合成，玩具與游戲，數字應答機等。

如同其它數字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫學圖像處理，醫學圖像重構等領域，如CT、核磁成象技術等方面得到了廣泛的應用，已取得了令人滿意的效果。在助聽，電子耳渦等方面也取得了相當的進展(文獻［1,2］)。國內、外也有關于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統的報道(文獻［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫學工程的部分核心期刊，如IEEE Transactions on Biomedical Engineering,Computers and Biomedical Research等核心期刊進行檢索，有關基于DSP芯片處理系統的報道很少。對國內生物醫學工程的核心期刊，如《中國醫療器械雜志》、《中國生物醫學工程雜志》、《生物醫學工程學雜志》和《中國生物醫學工程學報》等刊物進行檢索，未見有關基于DSP芯片系統方面的報道。對我所的光盤數據庫進行檢索，未見有關在航天醫學方面應用的報告。

我們認為在生理信號處理領域基于DSP芯片的技術可以解決我們在實際工作中遇到的某些問題，如當生理信號數據量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復雜時，現有的微機在實時采樣、處理、存儲和顯示方面往往不能滿足實際應用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機構成主從系統可以較好地解決這類問題。

載人航天領域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數據進行實時壓縮；大型實驗中對龐大的數據進行實時處理依賴于數字處理系統的構成；載人航天中對數據處理精度，可靠性要求以及功耗、工作電壓、體積、重量等方面的限制需要我們在構造處理系統中選擇性能優良的芯片。我們認為將DSP技術應用于載人航天領域具有十分重要的意義。

以DSP芯片為核心構造的數字信號處理系統，可集數據采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現數字信號處理系統的優越性，能很好地滿足載人航天領域設備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應用技術和開發手段在不斷完善。這樣為實時數字信號處理的應用——尤其是在載人航天領域中的應用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發展和應用將會對載人航天信號處理領域產生深遠的影響。

［1］　李小華，李雪琳，徐俊榮.基于DSP的數字助聽器的研究.95年生物電子學［C］，醫學傳感器等聯合學術會議文集，北京，1995:438～439

［2］　候　剛，徐俊榮.用于植入式多道電子耳渦的一種數字實時語音特征分析系統的 研究［M］.生物醫學工程前沿，合肥：中國科技大學出版社，1993：471～476

［3］　邱澄宇，何宏彬.用于心電信號數據壓縮的數字信號處理器［M］.生物醫學工程前沿，合肥：中國科技大學出版社，1993：463～466

［4］　Vijaya Krishna G，Prasad SS,Patil KM. A New DSP-Based Multichannel EMG Acquisition and Analysis System［J］.Computers And Biomedical Reserch,1996,29：395～406

［5］　劉松強.數字信號處理系統及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1996:223～228

［6］　孫麗莎，沈民奮.基于高階統計量的心音建模分析［C］.第八屆全國信號處理學組織委員會聯合學術論文集，北京：航空工業出版社，1997：280～283