OpenVINOTM,给你看得见的未来!>>
电子产品世界 » 论坛首页 » 嵌入式开发 » FPGA » DSP技术与应用

共2条 1/1 1 跳转至

DSP技术与应用

菜鸟
2003-08-24 00:49:00    评分
DSP DSP芯片是一种专用微处理器,它位于高性能系统的核心,接收模拟信号,如光和声,将 它们转化成为1和0,以进行实时大量数字技术处理。这种实时能力使DSP对于不允许迟延 的应用领域如蜂窝电话、计算机驱动器等十分理想。 分析起来,首先是生产工艺技术的进步,目前生产工艺都采用亚微米和深亚微米工艺进 行生产,缩小了芯片尺寸,又提高了性能;其次是采用较便宜的塑料封装;第三是改进 了测试技术,降低了测试费用。但是,高档的DSP产品售价仍高达数万美元。表1收集了 部分厂家的典型产品的主要性能及售价。所列数字是98年美国本土的售价,是指批量为 1000块时的价格;批量大时,售价还可以低一些。可以看出,不同产品价格相差还是比 较大的。 虽然浮点运算更适合于DSP的应用场合,但是根据市场统计,目前销售的DSP器件80%以上 仍属于16位定点可编程DSP器件,这可能是因为定点运算器件成本较低,对存储器的要求 较低,而且耗电较省。此外,在MAC的设计上已采取了防止溢出的措施。另外,从处理对 象上分析,DSP和面向PC的微处理器不同。一般说来,微处理器的对象比较单纯,因此具 有通用性;而DSP则为了适应不同的应用,趋向于朝专用化的方向发展。分别以不同处理 能力的芯核(core)为基础,加上不同的外围电路,如:串行口、并联口、ADC、DAC、 计时器、和DAM等;再配上不同规模的存储器单元,构成各种适合于一定应用的专用器件 ,或者为某一厂家的特殊要求制造定制的器件。据统计,在1995年通用的DSP器件市场份 额已经下降至50%,预计到2000年将下降到1/4左右。 第三,结构上推陈出新。DSP器件的速度已从几个MIPS提高到超过100MIPS,主要是依靠 工艺的进步,提高其时钟频率,改进片上总线,以及改进存储器的字长及容量;在结构 上则基本上沿用其传统的FLR滤波器结构。为了适应视频应用的要求,参考台式计算机的 结构改进经验,近年来不少厂家纷纷在结构上采用新技术,如TI采用VLIW(Very Long Instruction Word,超长指令字)结构设计的TMS320C6X系列,ZSP公司采用超标量结构 设计的10X DSP(DSP16401),以及Anolog Devices公司的SHARC结构,都显著地提高了 DSP器件的运算速度。这些结构的共同特点都是将含有多项运算操作的指令,划分为多条 指令,每个指令只执行一个或两个操作,这些指令的发出与执行都采用并行方式,以提 高每秒执行的操作总数。 第四,努力向系统集成迈进。除了改进DSP芯核以外,有些厂家还将几个DSP芯核和MPU芯 核(如精简指令集的ARM处理器),以及专用的处理单元,如Viterbi、Reed-Solomon解 码器,再加外围电路单元、存储单元均集成在一个芯片上,成为系统集成电路。速度可 达1600MIPS以上。如TI的TMS320C2700,Philips的Trimedia,Siemens的Tricore。在通 信方面,VLSI的OneC GSM处理器,则是将ARM处理器和Oak DSP芯核集成在一起。这样的 集成还缩小了整机的体积,缩短了产品上市的时间,也是一个重要的发展趋势。 DSP产品应用领域持续扩大   由于数字信号处理器DSP可以高速处理极为大量的数 字化数据,在各种电子机日益数字化的今天,DSP将要继续 高速增长,其应用仍将扩大。根据新的需求发展,DSP将 要向低价格、高性能、专用化和扩充有快闪ROM功能方向发 展。   在新闻界一片赞扬数字化声中,世界电子产品市场又 开始热闹起来。形形色色的数字化电子机器产品,繁花似 锦,诸如,数字化电视机、数字化移动电话、数字化无绳 电话、数字化照像机和数字化摄像记录一体型VTR等,不 胜列举。数字化电子机器日益增多,意味着迈向多媒体信 息化社会的步伐加快。实现多媒体信息化已不是梦想,而 是一步一步地向人们走来。对于多媒体信息化社会,需要 以先进的技术手段去传送、处理和显示极为庞大而复杂的 数据。固然模拟式的电子机器实现数字化可以提高性能和 质量,而另一方也需要装备大量的高速数字集成电路IC。 特别是模拟式的图形、图像信息转换成数字化的代码信息 ,尽管采用现代数字压缩技术,仍然是存在相当可观的信 息量。例如,一部72分钟的电影胶片,采用MPEGⅡ技术压 缩后的数字化代码图像信息。仍需要高达3GB的磁盘才能容 纳下全球信息。   现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电 路、它恰好适应多媒体信息化社会需求,迅速发展壮大。 如今,世界电子器件市上,各种各样的DSP器件已相当丰 富,详见照片1所示。大大小小封装形式的DSP器件,已广 泛应用于各种产品的生产领域,如照片2所示,而且DSP的 应用领域仍在不断地扩大,发展迅速异常。    一、数字化移动电话   数字化移动电话尽管花样繁杂,但基本上可划为两大 类:高速移动电话和低速移动电话。其中,高速移动电话 顾名思义是在高速移动体里使用的电话,诸如可在飞机、 轮船和汽车等里自由通话的电话。虽然数字化高速移动通 过标准很多,但当今普遍应用的是欧洲GSM(GlobalSyste mforMobileCommunication)标准。自从推出数字化蜂窝 式电话机以来,现已遍布全球70多个国家广泛应用。俗称G SM标准的数字化蜂窝电话,叫作数字化大哥大,它具备国 际漫游(Roaming)功能,SIMC(SubscriberIdentificat ionModuleCard)给用户带来使用大哥大的方便。现正在 扩展数据通信服务能力以及它与ISDN系统兼容性,例如, 英国BT公司的Cellnet部已经利用GSM提供数字化数据和传 真服务,于是东芝笔记本电脑也安上了数字化的大哥大。   所谓低速移动电话,当然在高速移动体里完全不能应 用,然而在步行速度下却很好用,价格远比数字化大哥大 便宜,因此称为穷人的大哥大。低速移动电话就其实质而 论。它是数字化无绳电话,仍然保持模拟式无绳电话的子 母式结构:子机亦称为手机,可以距母机为百米左右半径 内的空间里自由步行移动情况下实现通过话;母机也称为 基地站,可作为家庭里的留守电话,也可悬挂在商店的墙 壁上,街道的电线柱上,广为分布。由统一的交换设施进 行管理,实现无缝交递(SeamlessHandOn)功能。这类低 速移动电话式标准很多。例如,欧洲较为普遍应用的DECI (DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion),日本 、南韩东南亚应用的PHS(PersonalHandy-phoneSystem )以及Philips和我国联合开发的DCCT(DigitalChinaCord lessTelephone)。其中,尤以PHS和DECT制式低速移动电 话发展较快,我国的DCCT由于缺乏关键性的DSP技术仍处 于设计阶段。   数字化移动电话(包括高速和低速)的每个手机,都 要用至少1个DSP器,因此,高速发展的数字化移动电话急 需极为大量的DSP器件,请参阅照片3。    二、数据调制解调器   从所周知,数字信号处理器的传统应用领域之一,就 是调制解调器。如今,调制解调器作为联系通信与多媒体 信息处理系统的纽带,日益受到重视。特别是近年来Inte rnet热潮,方兴未艾,普通百姓在Internet上冲浪蔚然 成风。利用PC机通过调制解调器经由电话线路,实现拨号 连接Internet已是最简便的访问形式。由于Internet用户 急剧增加,一度致使28.8Kbps的调制解调器成为市场上 的脱销产品。特别是由PC机上利用浏览程序调用活动图像 信息时,期望使用数据传送速度更高的调制解调器。为适 应这种新需求,国际上已制订出高速(33.6Kbps)调制解 调器国际标准。这就意味,在高速调制解调器里需要更高 性能的DSP器件。这种33.6Kbps的调制解调器(V.34) 是为传送数据而设计的,在此基础上发展出DSVD调制解调 器,它既可传送数据又可传送声音。无疑,这样一来将需 要更高功能的DSP器件。   随着高性能调制解调器不断出现,似乎低速的调制解 调器如像V.17(14.4Kbps)再也没有用武之地。事实上 ,刚刚相反,如今信息家电抬头,例如PHS母机留守电话 与个人FAX一体化的产品大量上市。这就是说,V.17(14 .4Kbps)型的调制解调器仍有市场。于是,各种调制解调 器里要求的DSP也是多种多样的。    三、磁盘/光盘控制器需求   随着多媒体信息化的发展,各种信息存储媒体产品都 应运而生,诸如磁盘存储器、CD-ROM和DVD(DigitalVer satileDisk)-ROM新产品纷纷上市。今日的磁盘驱动器H DD,存储容量已相当可观,大型HDD姑且不谈,就连普通P C机的HDD的存储容量已高在1GB以上,详见照片4。小型HD D向高密度、高存储容量和高速存取方向发展,其控制器 必须具备高精度和高速响应特性,它所用的DSP性能也是今 非昔比,高速DSP是必不可少的关键性器件。   日本的HDD技术不能超过美国,于是把主攻方向集中 到光盘技术,在1996年日本第35届ElectronicsShow'96上 ,终于把DVD-ROM产品公布于众。而且,日本并不以此为 满足,志在夺取可擦写的DVD-RAM。仅就DVD-ROM而论, 单面1片12cm盘片记录4.7GB信息量,相当于直径12cm的 软盘FD片3200张之多,比CD-ROM存储容量高出6倍。如此 高密度的DVD-ROM,读出控制的精细程度可想而知。   HDD和光盘机的控制器里之所以必须利用高速DSP,主 要是利用其高速“积和”处理能力。因为,盘片旋转控制 、磁头定位控制和光盘中的激光束聚焦控制,都是采数字 伺服与系统控制技术。这是现在控制技术,建立在数学模 型基础之上。通过复杂的矩阵运算实现控制。没有高速运 算的DSP,是绝对不行的。    四、图形图像处理需求   DVD里应用的活动图像压缩/解压缩用MPEG2编码/译 码器,同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电 视和卫星广播等诸多领域。在这些领域里,应用的DSP应该 具备更高的处理速度和功能。而且,活动图像压缩/解压 技术也日新月异,例如,DCT变换域编码很难提高压缩比 与重构图像质量,于是出现了对以视觉感知特性为指导的 小波分析图像压缩方法。新的算法出现,要求相应的高性 能DSP。最近,日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实 VR系统,投入相当力量,利用现代计算机图像学CG生成3 维图形,迫切需要多个DSP并行处理系统。其中,系统里的 结点DSP单元,要求采用与并行处理相适应的体系结构。   彩色静止图像压缩/解压,现在普遍应用JPEG标准, 其核心算法也是离散余弦变换。JPEG编码/译码器的应用 ,除了数字化照像机之外,估计彩色打印机和彩色扫描器 也将要应用。因此,对于普通DSP的用量,必将日益增长 。    五、汽车电子系统及其它应用领域   汽车电子系统日益兴旺发达起来,诸如装设红外线和 毫米波雷达,将需用DSP进行分析。如今,汽车愈来愈多 ,防冲撞系统已成为研究热点。而且,利用摄像机拍摄的 图像数据需要经过DSP处理,才能在驾驶系统里显示出来, 供驾驶人员参考。   .ioa.ac.cn/users/liweichang



关键词: 技术     应用     处理     产品     器件     用的     高速     数字化         

菜鸟
2003-08-24 00:50:00    评分
2楼
应用DSP的领域可以说是不胜枚举,电视会议系统里 ,也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科 学技术的发展,将会出现许许多多的DSP新应用领域。 可编程DSP前景可观 90年代以来,数字信号处理器(DSP)已经成为世界半导体产业的又一个热点。 TI看好DSP TI公司(Texas Instruments) ADI紧追不舍 ADI(Analog Devices,Inc.) Lucent不甘示弱 Lucent Technologies Microelectronics Siemens紧盯DSP DSP开发方案的设计与选择 北京闻亭科技发展有限责任公司 董永宏 十多年前,DSP以其高速、低功耗和高集成度在军事、航天等领域大显身 手;随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大量采用,近几年来,DSP 价格大幅下调,而性能却不断提高,以不可阻挡的趋势,进入通信、工 业控制和消费领域,DSP正日渐成为现代信息产业的重要基石。 从DSP应用范围看,DSP可分为通用DSP和专用DSP两种。其中专用DSP往往 是实现信号处理的某些专项功能,实现方式则往往是通用DSP的掩模版本 。生产通用DSP的主要厂家有TI公司,AD公司,Motorola,Lucent,其中 TI公司著名的TMS320系列占据了国际市场接近一半的市场份额。 当我们确定了采用DSP方案以后,首先要做的就是DSP系统的功能需求分 析,根据需求,选择合适的DSP芯片和相应的开发,仿真工具。 一、DSP系统的功能需求分析 在确定了某个具体应用以后,我们要做的第一件事就是构造出一个DSP系 统功能框图(图略)。DSP系统设计中要考虑如下几个重要方面: 1. DSP系统处理的模拟带宽。根据这个带宽,选择合适的A/D采样率,A/D 采样频率必须服从采样定理。语音信号一般为几kHz~几十kHz,图像信号 则可达8MHz。 2. 实时性要求。系统设计中实时与非实时对系统要求的差异非常之大。 3. 算法的复杂度。为了获得好的系统处理性能,往往要采用复杂算法, 而算法越复杂,对DSP处理器的要求也就越多。有时需要在算法的复杂度 和处理速度之间进行折衷。 4. DSP系统处理精度要求。一般而言,在高精度要求中往往采用专业浮 点DSP,其它场合采用定点DSP就足够了。在实际应用中,采用块浮点方 法能有效提高定点DSP的处理精度。 5. 成本要求。在军事和航天用途中,为了高性能、高可靠性和留有发 展余地,往往尽量采用高性能DSP处理器,甚至不计成本。而在工业和 消费领域中,为了保持最终产品在市场上的竞争力,往往要寻找性能 价格比最好的产品。 6. 可靠性要求。DSP处理系统所有器件的选择,必须考虑产品的最后 应用场合,原则上星载系统采用宇航级,军事应用采用军品,工业场合 选用工业级器件,民用选用商品级即可。最后所选用的器件要考虑是否 有对应的级别。 7. 方便开发和使用。为了方便开发仿真,DSP系统设计师最好选用带 JTAG硬件仿真接口的DSP芯片,既能方便开发,又便于此后生产中的测 试。 二、DSP算法的验证与模拟 一个实际的DSP处理系统必然要使用各种算法,要求DSP系统设计者在 选择某种算法前就精通各种算法的细节是不现实的。DSP处理系统所选 用的算法无非是各种通用算法的组合和改进。革命性的算法不是DSP设 计师的任务,DSP系统设计师应尽量选用成熟可靠,经过时间考验的算 法而支持各种通用算法的DSP模拟软件市场上已有不少。我们对其中的 一些优秀产品作简单介绍: 1. SPW工作站:Cadence公司产品:含有大量的算法库,对通信系统设 计尤其适合。 2. Matlab工具包:该软件在国内高校中已经开始流行,该软件矢量矩 阵处理功能很强,最新版本中信号处理功能大大加强。 3. Dalisp软件:优秀的信号处理软件包,网上有免费的高校版,读者 可自行下载使用。 在用如上的工具模拟挑选出了合适的算法组合以后,设计师就可应用高 级语言在PC机上进行实际编程验证,设计出DSP的软件处理流程,并给 出最终可实现的软件需求分析。 三、DSP开发工具的选择 在选定了DSP器件型号后,DSP开发工具的选择 就提到议事日程。使用开发工具的目的,是为了调试DSP系统的硬件和 软件。常言道:工欲善其事,必先利其器,选择一个适合的开发工具, 对加快开发进度、保证开发质量有很大的帮助。 DSP必备的开发工具有如下几种: ASM/LINK 汇编/链接器 JTAG硬件仿真器 可全透明地访问DSP的所有资源而不占用用户任何资源 Debugger调试器 其他选件还有:C编译器、实时操作系统和算法库。 下面以TMS320C2XX/C24X系列为例,介绍国内外DSP开发系统简况。 1. 汇编/链接器:该软件由TI公司的产品提供,型号为TMD324850 02 2. JTAG硬件仿真器:TI公司型号为XDS510,TI公司正式认证的国内第三 方合作伙伴也能提供JTAG硬件仿真器。但用户选择国内产品时,应注意有 的仿真器无法与TI公司的XDS510兼容,而北京闻亭等公司的产品却能与 XDS510兼容得非常好。兼容意味着用户的很多投资可得到保护。 3. Debugger调试软件:与XDS510配合使用,通过该软件能访问用户DSP 系统的所有资源。 最新的调试软件应该基于Win95平台,能够图形化,有效地显示存储器 的波形和频谱。另外,将C编译、汇编/链接调试集成在一起的集成调试 环境是新一代调试软件的必备功能。 四、DSP系统调试 在选择了合适的DSP开发工具后,设计师就会做具体的硬件设计和软件设计。 硬件设计应注意如下要点: 1. 认真处理好复位和时钟信号。 2. 在DSP电路中,对所有的输入信号必须有明确的处理,不能悬浮和置 之不理。 3. 模拟电路和数字电路独立布线,最后单点连接电源和地。软件设计则 应严格按照软件工程的方法进行管理。 一个实际的DSP系统的调试总要经过多次反复,需要设计者和调试者有足 够的耐心,坚强的意志和九死一生的精神。做一个现代设计师非常辛苦, 必须不断的纠正自己所犯下的各种设计错误。只有当系统可靠地运行, 并得到市场和社会的承认后,才能松一口气,美美的睡上一觉,然后又 充满信心地开始下一轮的设计。◆ DSP在现代通信中的应用 北京大学电子学系 余道衡 数字信号处理的基础 数字信号处理(DSP)是利用专用或通用的数字信号处理芯片,以数字计 算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能 力强、体积小等优点。DSP已经成为一个新的技术领域和独立的学科体 系,当前已经形成了有潜力的产业和市场,在现代通信中也得到十分 广泛和成功的应用。 通信中应用的DSP也有硬件、算法和理论等三个基础,支撑着它的发展 和应用。硬件是指用VLSI(超大规模集成电路)实现的专用或通用芯片, 目前许多芯片的运算速度已达每秒几千万次操作,价格也大幅度降低。 用于通信的算法,包括信源编码(压缩)和解码、信道编码和解码、信号 调制和解调、信道均衡、噪声对消、信号的加密和解密等。自成体系的 理论包括离散线性系统理论、离散和快速变换理论、数字滤波理论、量 化效应和误差理论、信号检测理论和小波变换理论等。 数字信号处理的优势 数字信号处理能广泛应用于现代通信中,是因为DSP与模拟信号处理相 比,具有以下优点: 信号处理的动态范围大,有比模拟信大30dB的动态范围,因而有更高 的精度。 数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不产生其它 噪声,具有更高的信噪比。 具有高度的灵活性,能够快速处理、缓存和重组,可以时分多用、并 行处理,还可以灵活地改变系统参量和工作方式,并以利用系统仿真。 具有极好的重现性、可靠性和预见性。 算法具有直接的可实现性。 对白噪声、非平衡干扰和多径干扰,可以有相应的最佳化的实现方法 去进行特有的信号处理。 以上优点是DSP在现代通信中应用的重要保证。 DSP在国内通信中的应用 DSP有两种典型的应用模式,一种是用同步控 制单元实现多路DSP处理,另一种用高速信号处理芯片完成各类实时处 理。DSP在现代通信中应用主要是后一种模式。当前用于通信的DSP器 件可以完成每秒上亿次的运算,已经能够胜任现代通信中实时处理的 要求。 随着DSP芯片产品性能的迅速提高和价格不断地下降,以及各种算法的 改进,DSP在国内通信中的应用进程发展很快。 在80年代末和90年代初大都采用TMS320C20和TMS320C25芯片完成通信 电路的部分功能。例如,用C20完成话密系统的简单加密和解密电路; 用C25完成可视电话的解码器;用C25完成全自动无线电话的双向数据 交换等。 90年代中期以来,DSP的应用日益增加。这些均属技术机密,其细节大 都不在杂志上公开发表,这里,只能简介一些应用实例的大概情况。 北京大学电子系一个学生代表队,用TMS320C32芯片完成了基于DSP的 双工保密电话,获得了1997年TI DSP设计大奖赛中国/香港地区第二名。 此项工作采用北京闻亭公司的TDS-TMS320C3X软硬件仿真开发系统,用 C32芯片完成了系统的加密和解密算法。 某高校用两片TMS320C31完成双通道(立体声)宽带音频压缩编码,其中 包括子带分析、心理声学模型和量化编码等算法。 清华大学用C80芯片实现了视频图像压缩编解码器,完成了包括运动预 测和DCT变换算法在内的信号处理,其计算量超过每秒10亿次。 中科院声学所用ADSP21020完成视听多媒体桌面通信系统中的图像压缩 编码、图像解码还原、后处理和图像显示列队等信号处理。 DSP在数字移动通信中的应用 当前的数字移动通信有美国的TDMA(时分多址,IS-54标准)、欧洲的TDMA (GSM体制)以及美韩的CDMA(码分多址,IS-95标准)等制式。 国外用TMS320C54芯片可以完成语音编码器、误差修正、信道编解码器、 均衡、解调和校验等多种功能。在欧洲的GSM制式的数字移动电话手机中 ,其基带处理采用了以DSP为核心的CDSP专用芯片(包括DSP和模拟处理)。 国内的研发者也用C54芯片完成了语音编解码和信道编解码的功能,并把 它们用于CDMA(IS-95)制式中。 笔者认为,DSP在数字移动通信中的应用,主要是进行数字基带信号处理, 包括: 1. 信源编码和解码(语音编解码) 2. 信道编解码:卷积编码、块交织、维特比译码等 3. 调制解调:QDPSK,GMSK,BPSK/QPSK等 4. 其它:均衡、误差校正、加解密、校验等。 当前国内的研发工作,首先是在板级电路中应用通用DSP芯片和FPGA芯片 实现数字基带信号处理功能,在完成算法的调试后,再生产以DSP芯片为 核心的专用芯片。当前关键工作是研究优良的算法,并设法在DSP芯片上 实现。◆ DSP生产厂家及特性价格 以下资料未经证实,只供参考.Y&T (1998,8) 厂家及型号 运算 数据 程序 运行 程序 程序 数据 数据 价格 形式 长度 长度 速度 ROM RAM ROM RAM (美元) (位) (位) (MIPS) Analog Devices ADSP2186 定点 16 24 40 无 8k 无 8k 9~12 ADSP21060 浮点 32 48 33&40 无 80k 无 128k 200~300 ADSP21061 浮点 32 48 33&40 无 16k 无 32k 49~60 Lucent DSP1609 定点 16 16 100 24k 2k 24k 2k 4.95 DSP1610 定点 16 16 40 512K*8(4Mbit) 8k 512k 8k 57 DSP1620 定点 16 16 120 512K*8(4Mbit)32k 4k 32k 50 Motorola DSP56812 定点 16 16 60 24k 2k 5 DSP56824 定点 16 16 60 32k 3.5k 6.75 NEC μDP77015 定点 16 32 60 4K 256 2×2K 2×1K 14 Philips Trimedia 浮点 32 <=224 665 - - - - 65 SGS-Thomson ST18952 定点 16 16 100 - 32K - 16.5K 20 TI TMS320C2XX 定点 16 16 <=40 4K~32K 256~4.25K - 544~4.5K 6~12 TMS320C6201 定点 8,16 32 1600 - 16K - 64K 125 ,32 TMS320C6701 浮点 32 16 1GFIOPS - 16K - 16K 225 TMS320C8X 浮点 32,64 32,64 >250 - 12K - 4~4.75K 220~500 A DSP SITE IN TEST:http://stream

共2条 1/1 1 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]