ＤＳＰ的发展概况和应用前景

１ 引言

    自然界中存在的各种各样的信息和信号都可以通过传感器转换为电信号，例如：声音、语言和音乐可以通过传声器（如话筒）转换成音频信号；人体器官的运动信息（如心电、脑电、血压和血流）可转换成不同类型的生物医学信号；机器运转产生的一些物理变化（如温度、压力、转速、振动和噪声等）可用不同类型的传感器转换成对应于各种物理量的电信号；在人造卫星上用遥感技术可得到地面上的地形、地貌，甚至农田水利和各种建筑设施的信息；雷达、声纳能探测远方飞机和潜艇的距离、方位和运行速度等信息。总之，在现代社会里，信息和信号与人民生活、经济建设、国防建设等很多方面都有着密切的关系。

    自然界中的信号通常可以通过传感器转换为连续的电信号（即模拟信号）。根据采样定理，只要满足一定的条件，模拟信号可以无失真地转换为离散信号，再通过模拟数字变换器（ＡＤＣ）可得到很精确的数字信号。在计算机高度普及的今天，一旦信号转换成数字形式送进计算机，就会得到过去模拟信号所不能获得的很多优点，还能增加多种功能，能用统一的方法进行加工处理，例如编辑、修补缺陷、除去噪声、压缩和解压缩、分类和识别、合成和重构、传送和复制等。但是，处理语音和图像这类信号的运算量很大，通用微机很难满足实时处理的要求，因而迫切需要适合于信号处理的芯片和系统。在微电子学专家、信号处理专家和计算机专家的共同合作下，一种体现这３门学科综合科研成果的新器件问世了，称为数字信号处理器（ＤＳＰ）。它的特点是：（１）高度并行运算，内部操作采用时间上重叠的流水线结构（哈佛结构），大大提高了运算速度；（２）片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器，能在一个指令周期内完成乘累加和变址运算；（３）按照数字信号处理的算法要求，设计了专用变址器和功能很强的专用指令；（４）片内配置了多种功能很强的外围器件和接口，例如：可编程定时器、高速串行接口、直接存贮器存取（ＤＭＡ）控制器等。因此，用它来处理数字信号，特别是线性变换（快速傅立叶变换、希尔伯特变换、余弦变换等）、数字滤波（包括有限和无限冲激响应滤波等）、卷积运算等，其速度要比通用ＰＣ机快很多倍。与以往的模拟技术相比，不但体积变小，性能得到极大改进，而且成本也得到降低，在通信、高速控制、声纳、雷达、智能仪器仪表等领域中获得了广泛的运用。目前，世界上一些著名的电子公司都生产了自己设计的ＤＳＰ芯片、系统和开发工具。美国有德州仪器（ＴＩ）、ＡＴ＆Ｔ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ等公司，日本有ＮＥＣ、Ｏ-ＫＩ、Ｆｕｊｉｔｓｕ等公司，德国有西门子等公司，其总产值每年以４０％的速度增长。

    总之，ＤＳＰ已成为当前信息产业的热点之一。

２ ＤＳＰ的应用范围

    根据美国的权威资讯公司统计，目前可编程ＤＳＰ在市场上的使用情况如下：

.通信占５６．１％；

.计算机占２１．１６％；

.消费电子和自动控制占１０．６９％；

.军事／航空占４．５９％；

.仪器仪表占３．５％；

.工业控制占３．３１％；

.办公自动化占０．６５％。

    直观地说明了ＤＳＰ应用的广泛性和今后的发展趋势。ＤＳＰ的市场获得飞速发展，主要受以下驱动力的影响。

    首先是因特网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ），众所周知，在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上，人们可以通过电子邮件（Ｅ－ｍａｉｌ）来交换信息，通过全球信息网（ＷＷＷ）世界范围数据库服务器来检索、查询各种信息。其范围涉及几乎所有的自然科学和社会科学领域，可谓包罗万象。由此形成一种Ｉｎｔｅｒｎｅｔ文化，这种文化将对人类社会产生不可估量的影响。因此，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网的发展和普及是不容怀疑的。Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ网的建造和扩展需要相应的设备，而它们中的很多部件都和ＤＳＰ软硬件有关。

    其次是可视电话和会议电视，或者更为广泛地说是多媒体通信系统。过去由于技术的限制，不能同时满足视听要求。电话只能传输声音；电报只能传输文字；电视虽能同时传输声音和图像，但只能是单方向的广播，不能相互交流。随着高技术的发展，特别是卫星通信和光纤通信的发展，通信带宽已不再成为多媒体通信的主要“瓶颈”。再加上个人计算机逐渐普及到家庭，通信、广播、电视和计算机合为一体的时代已为时不远了。多媒体通信系统所需要的图像压缩（目前工业标准是ＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ－１、ＭＰＥＧ－２，当然还会出现一些新的算法如小波变换等）、声音压缩（标准有Ｇ．７１１、Ｇ．７２２、Ｇ．７２８、Ｇ．７２９等）以及传输所需的高速调制解调器都和ＤＳＰ有关。随着ＤＳＰ运算速度的进一步提高和软件开发环境的改进，可编程ＤＳＰ将会成为主流而取代某些专用芯片，或者用户将自己开发的软件，驻留在可编程ＤＳＰ上而成为专用芯片。

    另外，目前移动通信占有很大市场，移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用ＤＳＰ芯片。

    总之，在ＤＳＰ的应用中，通信领域占５６．１％，ＤＳＰ在通信领域将大有可为，值得从事通信产品开发的科技人员密切注意。

３ ＤＳＰ的种类和它们所占的市场份额

    美国德州仪器（ＴＩ）公司是当前最大的ＤＳＰ开发和生产厂家，它占有世界ＤＳＰ市场份额的４５％。其次是美国ＡＴ＆Ｔ公司，占２９％的市场份额。再次是美国Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＡＤ）公司和Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司，市场份额分别为１１％和９％。美国的其它公司和欧洲、日本的一些著名的电子公司只占６％的份额。ＤＳＰ是一种可编程的器件，它对用户有较高的技术要求，不但要求用户具有微型计算机的基础知识，而且还要了解和掌握数字信号处理的有关原理和算法。同时，开发和生产ＤＳＰ的公司，也需要对用户有很强的技术支持，包括开发工具、支持芯片（和ＤＳＰ配套的存储器芯片及接口芯片）、支持软件（软件开发实例以及数字信号处理常用子程序和函数库），此外还需要有完整的资料、良好的技术培训和技术咨询。

    由于上述原因以及其它多种原因，目前在中国市场广泛使用的ＤＳＰ有两个 系列。一个是ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０系列，该公司从１９８２年至今已经开发了多代产品，归纳起来可分为：

    .定点ＤＳＰ：ＴＭＳ３２０Ｃ１Ｘ（Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１７、Ｅ１４、Ｅ１５、Ｅ１７）；ＴＭＳ３２０Ｃ２Ｘ（Ｃ２０、

Ｃ２５、Ｃ２６）；ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ；ＴＭＳ３２０Ｃ５Ｘ（Ｃ５０、Ｃ５１）；ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ；ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ。

.浮点ＤＳＰ：ＴＭＳ３２０Ｃ３Ｘ（Ｃ３０、Ｃ３１、Ｃ３２）；ＴＭＳ３２０Ｃ４Ｘ（Ｃ４０、Ｃ４４）。

.    多处理器ＤＳＰ：ＴＭＳ３２０Ｃ８Ｘ（Ｃ８０、Ｃ８２）。

其中，定点ＤＳＰ的ＴＭＳ３２０Ｃ１０／Ｃ２５／Ｃ５０是国内运用较为广泛的芯片，已经形成了很多产品。它们的字长为１６位，指令周期从２００ｎｓ到３５ｎｓ，所有指令都是向上兼容的。浮点ＤＳＰ的ＴＭＳ３２０Ｃ３０／Ｃ３１／Ｃ３２在国内运用也很广泛，它们的字长为３２位／４０位，指令周期从６０ｎｓ到３３ｎｓ，所有指令都是兼容的，但它们在结构上稍有区别，且Ｃ３１和Ｃ３２价格更便宜。

    另一个是ＡＤ公司开发的ＡＤ-ＳＰ系列，ＡＤＳＰ系列虽然较晚进入中国市场，但由于设计上的一些优点，也受到很多用户的欢迎，在国内有着较大的影响。其产品也分为定点和浮点两类：

.定点ＤＳＰ：ＡＤＳＰ２１０１、ＡＤＳＰ

２１０５、ＡＤＳＰ２１１１、ＡＤＳＰ２１１５、ＡＤＳＰ２１７１、ＡＤＳＰ２１８１；

.浮点ＤＳＰ：ＡＤＳＰ２１０１０、ＡＤＳＰ

２１０２０、ＡＤＳＰ２１０６０／６２。

    其中，定点ＤＳＰ的ＡＤ-ＳＰ２１０１／２１０５／２１８１使用比较广泛。它们的指令字长为２４位，数据字长为１６位，指令周期从１００ｎｓ到３０ｎｓ，指令对所有的定点ＡＤＳＰ芯片都是兼容的。不同型号的芯片，只是运算速度和片内资源上有一些差异。浮点ＤＳＰ的ＡＤ-ＳＰ２１０２０／２１０６０使用比较广泛，它们的指令字长为４８位，数据字长为４０位，指令周期从１００ｎｓ到２５ｎｓ，而ＡＤＳＰ２１０６２是目前浮点ＤＳＰ中速度最快的一种。

４ ＤＳＰ硬件和软件的发展趋势

    美国德州仪器公司对ＤＳＰ芯片集成技术作了回顾与展望，可以比较具体地用表１来描述。

由表１可以看出，ＤＳＰ的发展非常迅速，而销售价格逐年降低。这给从事系统设计的工程技术人员带来很大机遇，采用先进的ＤＳＰ将会使开发的产品具有更强的市场竞争力。虽然各个厂家的设计有很大差别，但目前ＤＳＰ的结构、总线、资源和接口技术都趋于标准化，尤其接口的标准化进展更快，例如：用于通信的语音接口、用于广播的立体声接口等。

    ＤＳＰ的软件和系统集成发展也非常迅速。最初，ＤＳＰ只是作为一种器件，要设计成产品还需要做许多工作。通常是由具有软件、硬件和系统集成专长的技术人员组成小组，相互配合，发挥各自专长，开发出完善的产品。随着芯片集成度的提高，很多算法已形成工业标准，ＤＳＰ厂家和一些软件开发商（第３方）合作，推出了芯片组和参考设计。这样就大大缩短了开发周期，提高了设计质量，给用户带来很大的好处。为进一步降低成本，提高产品的市场竞争力，很多用户和ＤＳＰ厂家合作，把批量大、性能优良的系统或分系统集成到一个芯片内，这样就可更为迅速地构成高技术产品。

    软件的开发仍然是ＤＳＰ应用过程中的关键问题。通常ＤＳＰ软件包括应用程序代码、操作系统以及外围设备的接口程序等。为了标准化，国外有人提出了其结构大致类同于远程通信开放系统互连的７层模型。这种模型指定了每个模块要实现的目的，也保持了各层之间的透明性，层次之间的接口也都有严格定义。这样各种软件开发者都可以提供每个层次中独特的有创造性的软件，又不影响整个系统的软件结构。算法研究者提供应用所需的算法，如图像压缩、声音压缩、通信规程和协议等。软件开发者则将这些算法转换成特定ＤＳＰ平台上能实时运行的程序代码。而ＤＳＰ操作系统和工具软件又由另外的开发商或销售商承担。这样，对于用户或设计工程师来说，主要注意力将集中在系统的综合上。他们将在各种销售商的产品中进行选择，找出最适合的芯片、相应的操作方法和算法，选择有商业价值的ＤＳＰ软件。用户将会发现，购买软件比用户自己编写更经济，开发周期也会更短。

５ 最新ＤＳＰ芯片

下面简要介绍几种代表当前ＤＳＰ发展水平的先进芯片。

    （１）ＡＤＳＰ２１８１：这是美国ＡＤ公司的一个很成功的产品，具有令人满意的性能价格比。它是集成度很高的定点ＤＳＰ，在ＡＤＳＰ２１ＸＸ芯片基础上，把２４×１６ｋｂｙｔｅ程序存储器、１６×１６ｋｂｙｔｅ数据存储器、两路串行接口和两路ＤＭＡ都集成在一个芯片内。其指令周期只有３０ｎｓ，作１０２４点快速傅立叶变换只需１．０７ｍｓ，比其它公司的定点ＤＳＰ芯片（如ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５０、ＡＴ＆Ｔ公司的ＤＳＰ１６１０－３０、Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的ＤＳＰ５６１６６等）的速度都要快。它还有３种低功耗工作模式，特别适合语音编码、有线调制解调器、无线通信和智能仪表等应用。

    （２）ＡＤＳＰ２１０６０／２１０６２：这是美国ＡＤ公司推出的超级哈佛结构计算机，是目前运算能力最强的浮点ＤＳＰ芯片。它集成了工业上最快的ＩＥＥＥ３２位浮点ＡＤＳＰ２１０２０，除此之外，片内还有４Ｍ位双口ＳＲＡＭ、串行和并行通信口、主机接口、多处理器接口和一个智能ＤＭＡ控制器。

该芯片采用高速低功耗的ＣＭＯＳ工艺，指令周期只有２５ｎｓ，工作在４０ＭＩＰＳ的情况下，可获得１２０ＭＦＬＯＰＳ（每秒兆浮点运算数）的峰值运算能力。表２列出其处理数字信号的能力。

    （３）ＴＭＳ３２０Ｃ８０／８２：这是美国ＴＩ公司在１９９５年推出的专门针对多媒体应用的芯片。它是一个多处理器ＤＳＰ。主处理器（ＭＰ）是一个３２位ＲＩＳＣ处理器，具有ＩＥＥＥ ７５４浮点单元硬件，由它管理４个３２位先进的ＤＳＰ。片内有５０ｋｂｙｔｅ单周期存储器，分成容量为２ｋｂｙｔｅ的２５个存储块。５个处理器和２５个存储块之间通过交叉栅（Ｃｒｏｓｓｂａｒ）连接，每个处理器有局部接口（Ｌ）、全局接口（Ｇ）和指令接口（Ｉ），通过交叉栅可访问不同的数据存储块和属于自己的指令存储块。除此之外，片内有一个视频控制器，具有能同时采集图像和显示图像的双帧定时器。还有一个传输控制器（ＴＣ），用于指令缓冲存储以及片内和片外存储器之间的数据传输。这个超级芯片约有４百万只晶体管，采用３０５插针陶瓷管脚栅阵列（ＰＧＡ）封装。它的峰值运算能力为每秒２０亿次ＲＩＳＣ类型操作。片内传输指令的速度为１．８Ｇｂｙｔｅ／ｓ，片内传输数据的速度为２．４Ｇｂｙｔｅ／ｓ，片内和片外传输数据的速度能达到４００Ｍｂｙｔｅ／ｓ。国内有不少单位使用了这种芯片。存在的问题是软件开发比较困难，一般的编程者很难充分运用它的片内资源，因此，据说ＴＩ公司不准备对这一芯片作进一步的开发。

    （４）ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１：这是ＴＩ公司最近推出的ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ系列中的第一个产品。它是３２位高性能的定点处理器，峰值运算能力达到１６００ＭＩＰＳ。该芯片采用２５６位的长指令结构，执行周期为５ｎｓ，每周期执行８条３２位的指令。它对应８个功能单元，分为Ａ和Ｂ两组，每组包括４个功能单位，即执行数据寻址的Ｄ单元、执行乘法的Ｍ单元、执行算术逻辑和转换的Ｓ与Ｌ单元，还有一个１６×３２位的寄存器组。Ａ和Ｂ之间有总线相连，可交互传输数据。系统按流水线管线运行，如果８条指令不能同时执行，也可分为几个周期执行。除此之外，片内还有１Ｍ位的ＳＲＡＭ作为程序和数据存储器；一个３２位外部存储器接口ＥＭＩＦ，支持同步和非同步、静态和动态等类型的存储器接口；一个１６位的主机接口和两个ＤＭＡ协处理器以便引导程序加载。该芯片在通信上有很广泛的应用。一个成功的例子是用它来实现离散多音调制（ＤＭＴ）。在距离为３ｋｍ非对称的数据用户线（ＡＤＳＬ）上，可达到８Ｍｂｉｔ／ｓ和８００ｋｂｉｔ／ｓ的速率。此外，还可用于多通道声码器、多通道回波抵消、电缆调制解调器和蜂窝通信基站等。

６ 结束语

    近几年来，ＤＳＰ芯片、应用软件和系统的发展非常迅速，每年增长速度高达４０％。其市场驱动力主要是因特网、无线通信、硬盘驱动器、可视电话和会议电视以及其它消费类电子产品。也就是说，ＤＳＰ产业的发展依赖于通信技术和通信市场。随着新的通信体制、传输方式和多媒体智能终端的迅速发展，其算法、标准和规程都需要在实践中不断发展、改进和优化。ＤＳＰ编程的灵活性和不断增强的运算能力，同时又将使通信技术向更高层次迈进。这对通信领域的广大科技人员是一个机遇。抓住这个机遇，我们将大有作为。□

（收稿日期：１９９７－１２－０９）

[摘要] 本文介绍了ＤＳＰ的发展概况、特点和应用前景，详述了目前国内广泛使用的两个ＤＳＰ芯片系列，最后总结了ＤＳＰ和通信技术的密切关系。

[关键词] 信号 数字信号处理 多媒体通信

[Abstract] Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｕｔｌｉｎｅｓ ｔｈｅ ｄｅ-ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ，ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａ-ｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＤＳＰ，ｄｅｔａｉｌｓ ｔｗｏ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ＤＳＰ ｃｈｉｐｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｔｏｄａｙ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｒｅｌａ-ｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＤＳＰ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

[Keywords] Ｓｉｇｎａｌ ＤＳＰ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ