当代ＤＳＰ及其在现代通信应用中面临的挑战

数字信号处理器（ＤＳＰ）是数字信号处理理论与当代超大规模集成电路（ＶＬＳＩ）技术融合的结晶。自从１９８２年ＴＩ公司推出第一代ＤＳＰ以来，随着ＶＬＳＩ技术的迅速发展，ＤＳＰ的性能价格比近年来大大提高，从而使很多数字信号处理算法得以实时实现并进而应用于实际系统。其结果是使基于ＤＳＰ的数字信号处理技术日益广泛地应用于通信、语音、图像、航天航空、仪器仪表等各个领域。因此，ＤＳＰ在推动当代信息处理数字化方面正发挥着越来越大的作用。

    尽管如此，ＤＳＰ在现代通信中仍面临着严峻的挑战。如在多媒体通信中，较高复杂度的语音与图像的实时编码、压缩、回放及在高清晰度电视（ＨＤＴＶ）的应用中，ＤＳＰ尽管基本上具有了相应的处理能力，但在性能价格方面仍难以达到推广应用的程度，更不用说对于数据处理吞吐能力要求极高的软件无线电，对于其中频处理，即使目前最先进的ＤＳＰ也难以胜任。

    现代通信所提出的挑战，也是ＤＳＰ发展的机遇。ＤＳＰ只有通过使用现代的ＶＬＳＩ技术，融合现代数字信号处理算法上的特点，采用更合理的数字处理硬件体系结构和数字处理技术，提高ＤＳＰ数字信号处理的能力，以适应现代通信发展的要求。

    事实上，ＤＳＰ也是一种微处理器。但它与一般的微处理器相比，更强调其处理数字信号的能力。为此，ＤＳＰ借助于当代的ＶＬＳＩ技术，采用了与普通的微处理器不同的适合于数字信号处理的硬件体系结构，从而使其数字信号处理的能力较普通微处理器大大增强。

    因此，本文一方面将从当代ＤＳＰ的体系结构角度讨论当代ＤＳＰ的最新动态。首先讨论数字信号处理算法的运算特点，并在此基础上，讨论数字信号处理运算对ＤＳＰ硬件性能的要求，及当代ＤＳＰ如何在其硬件体系结构上迎合当今越来越复杂的数字信号处理的要求；另一方面将讨论ＤＳＰ在通信中的应用及其发展趋势，它所面临的挑战，并结合未来ＤＳＰ在硬件体系结构上的发展作一些探讨。

１ 数字信号处理算法 及其特点

１．１ 数字信号处理所涉及的主要算法

    在数字信号处理算法中，根据统计，以下３类运算大约占所有的数字信号处理运算的７５％。

（１）卷积滤波运算

例如：有限冲激响应滤波器（ＦＩＲ）、无限冲激响应滤波器（ＩＩＲ）滤波等，用于信号分离和提取等。

（２）相关运算

例如相关接收、信号相关性分析等。

（３）变换运算

例如：快速傅立叶变换（ＦＦＴ）、离散傅立叶变换（ＤＦＴ）等，用于时频变换、频谱分析等。

１．２ 数字信号处理中的运算特点

考察以上数字信号处理的主要运算及其算法结构，可以概括数字信号处理中的运算有如下特点。

（１）数据寻址

数字信号处理运算的数据寻址具有一定的规律性，但数据寻址结构比较复杂，并且每一个运算循环所需寻址的数据较多。以ＦＦＴ运算为例：

.数据寻址数：对于Ｎ点ＦＦＴ，共有ｌｏｇ ２ Ｎ次循环，每个循环中需要寻址Ｎ／２对数据；

.复杂性：每次蝶形运算从寻址相邻的两个数据一直到相距Ｎ／２的两个数据；

.规则性：每个循环中的数据寻址是可预先确定的，每级蝶形运算两个数据寻址的相对变化是有规律的。

（２）数据操作

数据操作具有高度重复性和一致性。下式描述其重复累加运算：

Ｙ＝Ｍ×Ｃ＋Ｂ   （１．４）

（３）运算流程

运算流程具有高度循环性。

２ 数字信号处理运算对ＤＳＰ的要求

数字信号处理运算对ＤＳＰ有如下要求：

（１）总线宽度

    为保证数字信号处理运算的足够精度要求，对于定点运算至少需要１６位字长，对浮点运算至少需要３２位字长。因此，总线宽度应为１６位（定点）或３２位（浮点）以上，才可以在保证运算精度的同时又不影响运算速度。

（２）扩展的数据操作能力

    为适应数字信号处理中数据操作的特点，需要乘／累加硬件运算单元。另外，乘／累加的动态范围扩展也是必需的。特别对定点ＤＳＰ，如没有一定的动态范围扩展，每一次乘／累加运算必须判断是否溢出，将大大降低运算速度。由于乘运算，将不可避免地带来截断误差和溢出误差，所以乘／累加中还需提供有效的误差控制方式。

（３）数据寻址

    数据地址独立产生，无需算术逻辑单元（ＡＬＵ）参与运算，即需要一个独立的地址产生模块，具有以下的地址计算能力，表达为：

Ｙ＝Ｒ， Ｒ＝Ｒ＋修正值   （２．１）

其中，Ｙ为输出地址，Ｒ是地址产生模块的一个寄存器。

循环寻址控制能力，表达为

Ｒ＝Ｂ＋（ Ｒ－Ｂ＋Ｍ）ＭＯＤ（ Ｌ）   （２．２）

其中Ｂ为基地址，Ｍ为偏移修正量，Ｌ是数据缓冲器的长度。

位倒序寻址能力，即由于数字信号处理算法的高度循环特性，为提高数字信号处理的运算速度，要求ＤＳＰ的程序定序对循环控制进行零开销控制的能力。

（４）数据规整

    由于字长的限制，运算结果必须进行动态范围规整，以保证运算精度。同时，高运算速度又要求此规整过程不能过多占用处理器的时间。通常需要一个桶形移位器在一个单周期内完成１～３２位的移位操作，或循环移位，或一个数据块的归一化和去归一化。

（５）并行处理

    功能单元应有并行处理控制。

３ 当代ＤＳＰ的结构

（１）各功能单元的硬件实现

    根据数字信号运算特点对ＤＳＰ的功能要求，确定加速ＤＳＰ数字信号处理速度的最重要的功能单元，如乘／累加单元（ＭＡＣ）、地址产生单元（ＤＡＧ）、程序定序等，对这些功能单元用硬件独立实现。ＤＳＰ典型结构如图１所示。

（２）采用ＨＡＲＶＡＲＤ结构

    传统的处理器由于采用程序和数据共享一个存储区结构（即Ｖｏｎ－Ｎｅｕｍａｎｎ结构），而使处理器的速度受总线速度的限制。在当今的ＤＳＰ中，大多采用ＨＡＲ-ＶＡＲＤ结构，即将数据空间与程序空间分离开来，将数据总线（ＤＭＡ总线，ＤＭＤ总线）和程序总线（ＰＭＡ总线，ＰＭＤ总线）分离开来。从而可以结合其它的并行处理单元，实现在同一指令周期内将操作数据从程序存储器和数据存储器中取出并送到运算单元。

（３）适当采用流水线技术和并行处理技术

    由于数字信号处理运算具有一定的规律性及数据寻址的复杂性，综合速度和硬件开销的关系，在各功能模块间适当采用流水线和并行处理控制技术是当今ＤＳＰ在系统控制结构上发展的趋势。以下以ＡＤＳＰ－２１ＸＸＸ系列ＤＳＰ实现一个ＦＩＲ滤波器为例，说明当今ＤＳＰ是如何采用流水线和并行处理控制技术的。

所实现的ＦＩＲ算法可用下式表示为：

    式中，ｙ（ ｎ），ｘ（ ｎ）：ｎ时刻滤波器输出和输入；ｈｋ（ ｎ）：ｎ时刻滤波器系数。

程序执行过程和ＤＳＰ在程序的每一个步骤。

    ＤＳＰ执行该程序的过程中，由于ＦＩＲ运算的规律性，在Ｎ－１次循环运算中，前一次循环和后一次循环之间有一个流水线作业过程，如图３所示。这一流水线作业过程使ＤＳＰ的运算效率提高一倍（在Ｎ－１次循环内）。

    ＤＳＰ在流水线的作业过程中，同时又辅以并行处理。如在同一时间Ｔ内，进行地址指针修改与循环缓冲控制（由ＤＡＧ）、循环次数控制（由程序定序）、循环程序流程控制（由程序定序）及乘／累加（由ＭＡＣ）并行处理。另外，为保证流水线作业过程的取数和运算速度的匹配，ＭＡＣ采用并行阵列乘法器硬件实现。

（４）片内和片外存储器

   由于芯片管脚数受到限制（如成本等原因），片外存储器的存取往往不能采用ＨＡＲＶＡＲＤ结构，因而限制了片外数据和程序存取的速度。因此，当今ＤＳＰ在片外存储器采用ＨＡＲＶＡＲＤ结构和增加片内存储器的数量之间仍有待进一步商榷，可能主要由今后ＶＬＳＩ技术的发展来决定片内和片外存储器的数量和结构。

（５）接口

    显然，ＤＳＰ处理器的接口能力体现了ＤＳＰ与外界进行数据交换的能力。特别是ＤＳＰ面对的是当今多媒体信息处理的时代，对其接口性能提出了更高的要求。为此，现今的ＤＳＰ在其结构上一般提供一个乃至多个存贮器直接存取（ＤＭＡ）控制器、多处理器连接接口、串行接口等。

４ ＤＳＰ在通信中的应用及其发展趋势

    由于传统的模拟通信正向着数字通信方向发展，而数字信号处理技术是数字通信的核心技术，因此，随着ＤＳＰ性能价格比的迅速提高，ＤＳＰ及数字信号处理技术在通信领域得到了广泛的应用。并且，随着ＤＳＰ技术的进一步发展，可编程ＤＳＰ将进一步发挥其可编程的优势，应用到目前ＤＳＰ尚未涉足的应用领域；另一方面，ＤＳＰ的可编程特点还将进一步激发人们的想象力和创造力，开发数字通信崭新的应用领域（因为只要ＤＳＰ具有足够的数字信号处理能力，人们的所有设想都能够通过对ＤＳＰ的软件编程来实现）。

４．１ 多媒体通信终端设备

    在多媒体通信终端设备中，语音、图像的压缩与还原普遍采用了ＤＳＰ技术。最新出现的ＤＳＰ具有对于语音、图像这样的基带信号实时处理的能力。特别在语音压缩编码与解码方面，当今ＤＳＰ基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。如当今运用最广泛的语音编码标准：６４ｋｂｉｔ／ｓ的Ａ律、μ律的脉冲编码调制（ＰＣＭ）?眼ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７１２?演和３２ｋｂｉｔ／ｓ自适应差分脉冲编码调制（ＡＤＰＣＭ）?眼ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２１?演；Ｉ-ＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３的ＤＣＭＥ－ＡＤＰＣＭ（ＤＣＭＥ为数字电路复用设备）和嵌入式ＡＤＰＣＭ?眼ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２７?演，它们分别支持２４／３２／４０ｋｂｉｔ／ｓ和１６／２４／３２／４０ｋｂｉｔ／ｓ的码速率。还有基于线性预测编码（ＬＰＣ）技术的较低码速率的编解码协议标准，如：由美国国防部组织研制的联邦标准ＦＳ－１０１６的４．８ｋｂｉｔ／ｓ码激励的线性预测（ＣＥＬＰ）编码器，被美国电信工业联盟作为北美数字移动通信标准?邀ＩＳ５４?妖７．９５ｋｂｉｔ／ｓ的矢量和激励预测编码器（ＶＳＥＬＰ），１３ｋｂｉｔ／ｓＲＰＥ－ＬＴＰ－ＬＰ编码器?眼ＧＳＭ?演，１６ｋｂｉｔ／ｓ低延时ＣＥＬＰ编解码器?眼ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２８?演，由Ｉ-ＴＵ－Ｔ的研究小组ＳＧ１５负责提出的ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３ １６．３ｋｂｉｔ／ｓ或５．３ｋｂｉｔ／ｓ双速率语音编码协议，８／１３ｋｂｉｔ／ｓ算术码本激励线性预测的Ｇ．７２９等。可见，ＤＳＰ在语音的编码、压缩与还原的语音数字通信中得到了成功应用。

    在图像压缩编码方面，ＤＳＰ也表现出强大的数字信号处理能力，并正逐步找到其恰当的应用位置，如：符合ＰＳＴＮ网上低比特率多媒体通信Ｈ．３２４协议的Ｈ．２６３图像编解码已在ＡＤＳＰ－２１０６０ＤＳＰ上得到实时实现。

尽管当代ＤＳＰ能够实现像Ｈ．２６３这样复杂度的图像编解码，但是，由于目前具有像ＡＤＳＰ－２１０６０ＤＳＰ的数字信号处理能力的ＤＳＰ成本还难以被普通用户接受，因而如何降低ＤＳＰ的成本，使基于ＤＳＰ的多媒体终端设备得到推广应用，是现代通信对当今ＤＳＰ提出的第一个挑战。

４．２ 数字端接设备

    以调制解调器（ＭＯＤＥＭ）为例，可用可编程ＤＳＰ实现ＭＯ-ＤＥＭ功能。其优点是同一ＤＳＰ硬件平台可通过软件编程或调用不同的软件模块来实现其它功能，如语音编码等，并实现不同的信道自适应算法。特别是当代的可编程器件如ＦＰＧＡ、闪速存储器和互连器件（ＦＰＩＣ）的进展，使得整个硬件体系结构具有可塑性。从而使基于ＤＳＰ系统的数字通信设备在功能上具有真正的可塑性。现代的ＤＳＰ完全有能力实现中、低速率的移频键控（ＦＳＫ）、相移键控（ＰＳＫ）的调制与解调，以及符合Ｖ．３２协议的正交调幅（ＱＡＭ）调制与解调。最近，Ｖ．３４协议的ＭＯＤＥＭ已在３３ＭＩＰＳ（ＭＩＰＳ为每秒百万条指令）的ＡＤＳＰ－２１８１ＤＳＰ上实时实现。由此可见，ＤＳＰ在数字端接设备中的应用也会悄然兴起。

    可以想象，如果将数字终端设备与数字端接设备通过具有可塑性的ＤＳＰ硬件体系结构合二为一，那么，这样的通信设备将能够充分发挥ＤＳＰ软件的灵活性，灵活地改变其信道接入方式和通信接口标准（如语音的编解码标准），从而实现各种通信网的自由接入。但目前的ＤＳＰ要实现上述的数字终端设备与数字端接设备融合一体的设想还勉为其难。因而进一步提高ＤＳＰ的运算速度，是现代通信对当今ＤＳＰ提出的又一个挑战。

４．３ 软件无线电

    由于软件无线电要求可编程的射频频带、可编程的接入方式、可编程的频道调制，因此真正的软件无线电需要对射频频带宽度的采样数据进行处理。显然，软件无线电必须建立在高速ＤＳＰ技术的基础上，但软件无线电对ＤＳＰ的要求是现今ＤＳＰ难以满足的。即使对于中频频带宽度的采样数据进行处理，ＤＳＰ大约要在数十微秒到数百纳秒的时间内实时完成一个采样点数据的所有处理工作，这就意味着每秒数百兆指令数到每秒数千兆指令数的ＤＳＰ数字处理能力，已远远超过现今ＤＳＰ的处理能力。要达到这样的处理能力，只从ＤＳＰ的工作频率角度提高ＤＳＰ的运算速度可能难以实现，需要采用更先进的ＤＳＰ体系结构，这是现代通信对未来ＤＳＰ提出的挑战。

    综合上述，未来的ＤＳＰ要达到现代通信的要求，在运算速度上至少要提高一个乃至几个数量级，达到数百兆指令数到数千兆指令数；在此同时，由于现代通信数字处理的数据吞吐量极大，因此，未来的ＤＳＰ在ＤＳＰ的数据通信接口方面也要大力加强；另外，ＤＳＰ的功耗、价格成本、工作电压、芯片大小等也是未来ＤＳＰ在通信中得到推广应用需要很好解决的问题。

    另外，为迎合现代通信对ＤＳＰ的要求与挑战，未来的ＤＳＰ需要在两方面采取措施。一方面，要采用最新的ＶＬＳＩ技术，提高ＤＳＰ的处理速度及ＤＳＰ的性能价格比，因为摩尔定律在ＤＳＰ中也应是成立的；另一方面，在ＤＳＰ的体系结构上要进行创新，如在原有的ＨＡＲＶＡＲＤ结构，并行功能单元的结构基础上，可采用如Ｐｅｎｔｉｕｍ ＣＰＵ的超标量结构，即ＤＳＰ内核中含有多条指令执行单元，并采用更高密度的ＶＬＳＩ技术，使一个ＤＳＰ含有多个ＤＳＰ内核等，以达到相同时钟频率的条件下，处理更多的指令。

５ 结束语

    ＤＳＰ的性能在过去１０年内已得到迅速提高，其运算速度达到了１２０ＭＩＰＳ。预计在２１世纪初将达到５００ＭＩＰＳ。通过将若干个ＤＳＰ集成在一个芯片上，将获得更强大的数字信号处理能力，可达到诸如软件无线电所需要的强大的数字处理要求。随着ＶＬＳＩ技术的发展，以及数字信号处理新算法的进一步研究，ＤＳＰ将在信息数字化处理领域发挥更重要的作用。□

参考文献

１  Ｒａｂｉｎｅｒ Ｌ Ｒ，Ｂ Ｇｏｌｄ．Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｇｉ-ｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ，ＮＪ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，１９７５

２ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｊ Ｈｉｇｇｉｎｓ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ＶＬ-ＳＩ．Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ，ＮＪ ０７６３２：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，１９９０

３ 戴礼荣，王仁华，宋彦．高速ＤＳＰ技术及其在通信中的应用．合肥工业大学学报．１９９７，２０（１）：９０～９６

（收稿日期：１９９７－１２－０９）

[摘要] 本文首先从数字信号处理算法的运算特点出发，讨论了数字信号处理运算对ＤＳＰ硬件性能的要求，当代ＤＳＰ 面临的现代通信的挑战，以及在硬件体系结构上所采取的相应措施，并介绍了ＤＳＰ在通信中的应用及发展趋势。

[关键词] 数字信号处理 通信 硬件结构 并行处理 流水线技术

[Abstract] Ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＤＳＰ ａｌｇｏ-ｒｉｔｈｍ ｔｏ ＤＳＰ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｒｏｐｅｒ-ｔｉｅｓ，ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ＤＳＰ ａｎｄ ａｐ-ｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ＤＳＰ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＤＳＰ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅ-ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ＤＳＰ．

[Keywords] ＤＳＰ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｈａｒｄ-ｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏ-ｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｉｐｅｌｉｎｉｎｇ ■