[定义]
为了更加方便地处理语音,图象等模拟信号,一般都要将这些信号转换成数字信号再进行处理。这个想法刚刚提出的时候,人们是用微处理器(mpu)来完成这一工作的。但是,使用mpu处理数字信号的速度不够快,而且还需要大量的外围支持电路,所以整个系统体积庞大,成本较高,因而只是用在军事,航天等领域或在科研机构中做试验。到了70年代,有人提出了dsp的算法和理论,使它成了对模拟信号转换成数字信号后进行高速实时处理的专用处理器。它的处理速度是mpu的10至50倍。随着微电子技术,尤其是大规模集成电路工艺技术水平和设计水平的飞速提高,dsp发展非常迅速,其应用领域也逐渐开展到了通信,计算机,消费类电子产品等多个领域,为数字化时代的到来奠定了基础。业内人士称,dsp将是未来集成电路领域发展最快的电子产品,并成为电器产品更新换代的决定性因素,它将彻底改变人们的工作,学习和生活方式。
[相关技术]大规模集成电路;nmos技术;cmos技术;大规模集成电路设计技术;数字信号处理技术;图象处理技术;语音处理技术;通信;计算机
[技术难点]
随着dsp深入到个个应用领域,系统设计人员和用户也对它提出了更高要求。所以dsp厂家面临下面几个问题:
首先,进一步缩小dsp芯片的尺寸,使得系统级dsp成为可能。现在,dsp厂家纷纷采用新工艺,将几个dsp芯核,mpu,专用处理单元,外围电路,存储单元等等都集成在一个芯片上,成为系统级的dsp。ti的tms320c80是目前集成水平最高的芯片,它集成了四个dsp,一个risc处理器,一个传输控制器,二个视频控制器。但这样的规模和功能依然不能满足系统飞速发展的要求,所以还需要进一步提高系统集成度。
第二,提高dsp的灵活性,可扩充性。可编程dsp为dsp应用厂家提供了极大的舞台。不同的厂家可以在同一个dsp平台上开发出用于不同场合的系统。同时,还可以为这些系统的升级留有相当大的空间。因而,这些厂家对于可编程dsp的编程工具,dsp自身价格设计都提出了更高的要求以便满足迅速变化的市场。
第三,更高的运算速度是人们永无止境的追求。目前的ti tms320c6x是运算速度最快的dsp芯片,该芯片采用vliw(very long instruction word超长指令字)技术,其速度高达1600mips。现在的dsp大都采用0.5mm~0.35mm cmos技术。但随着这项大规模集成电路技术的发展,线条可以进一步变小,dsp芯片的速度也会越来越快,从理论上讲,dsp芯片速度再提高100倍应是可以的,但这需要dsp的生产厂家付出艰苦的努力。
[国外概况]
在dsp出现之前,数字信号的处理主要依赖微处理器(mpu)来完成。但是,mpu的运算速度很低,无法满足高速,实时的要求,而且处理系统庞大,成本高昂,进一步限制了数字信号处理系统的应用和发展。直到70年代末,有人提出了数字信号专用处理器(dsp)的理论和算法。1976年,美国的德州仪器(ti)公司开发了第一个dsp,用于模拟语音的教学产品peak & spell。但此时的dsp还只能算是一个实验产品。当时的dsp主要是用在急需对收集的图象,语音进行处理的军事侦察和航空航天等领域,并且那个时候的dsp系统以分立器件为主,系统依然十分庞大,成本之高也使它无法用于对价格非常敏感的民用领域。
随着大规模集成电路技术的发展,1982年首枚dsp芯片诞生了。这种芯片采用nmos技术,虽然功耗和尺寸等方面还不尽如人意,但其运算速度比mpu快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛的应用。这种dsp芯片的问世具有里程碑的意义,它标志着dsp系统开始走向了小型化和实用化。人们由此看到了大规模应用dsp芯片的广阔前景。许许多多的公司和科研机构加入到了开发dsp芯片的行列中来,为这一领域注入了前所未有的活力。ti在这方面又走在了前列,该公司开发了首枚商用dsp芯片tms32010,它每秒能处理500万个指令(5 mips)。同年ti着手开发市场。
80年代中期,cmos技术成了大规模集成电路的主流技术,由于采用这种技术,集成电路的集成度更高,速度更快,尺寸更小。基于cmos技术的第二代dsp芯片也就应运而生,它的存储容量和运算速度都成倍地提高,成了图象,语音处理的基础芯片。
90年代是dsp发展最为迅猛的时期。这主要表现在运算速度进一步加快,集成度进一步提高,功能越来越强大,应用领域越来越广泛。现在dsp已经发展到第五代了,能够将芯片将核心及其外围元器件集成到一个芯片上。这种集成度较高的芯片不仅在图象处理,语音处理,通信,计算机等领域得到广泛应用,而且已经逐渐渗透到我们生活的个个方面,比如汽车驾驶控制(ti为凯迪拉克设计的自动驾驶控制芯片),甚至是玩具(ti为world of wonder 设计的用于洋娃娃的dsp芯片)等等。
整个全球dsp市场主要由几家美国公司所把持,他们是德州仪器(ti),朗讯,模拟器件公司(adi),摩托罗拉,等等。其中ti处于绝对领先的地位,占据了整个市场份额的45%,其余美国公司几家公司所占份额分别是28%,12%,12%。而其他国家的企业只占到3%。
自从在1976年开发出第一个dsp芯片,并在第二年尝试了规模化生产和拓展市场之后,ti公司就牢牢把握住了这一领域,其开发的产品涉及modem,无线通信,硬盘驱动器,音频视频,图象处理,语音识别,机顶盒,汽车,工业控制,航海,航天等诸多领域,用户遍布全球。据统计,世界上每两个数字蜂窝电话就有一个采用ti的dsp芯片,全球90%的硬盘和33%的modem都采用ti的dsp技术。ti的成功首先要归功于决策人的高瞻远瞩,使得该公司能够及早进入了这一开发领域,进而随着微电子技术,尤其是大规模集成电路的工艺水平和设计水平提高,其dsp芯片水平也逐步提高。另外还有一个原因,为了巩固其在dsp业界的优势地位,ti于1997年斥资1亿美元,设立风险投资基金,用于扶植那些对该公司dsp应用极有创造性而又缺乏启动资金的小企业。同时,ti设立了一个500万美元的全球大学科研基金,用于这些大学的dsp教育和科研。ti的这些举措无疑使得该公司的产品在全球范围内得到了广泛的应用。
目前,ti公司的dsp产品在技术上处于世界领先水平。最近开发的tms320cx6系列dsp芯片运算速度高达1600mips,为系统设计者提供广阔无比的应用空间。例如,采用tms320cx6的modem可以将原来需要下载十几分钟的内容压缩到几秒内完成;采用该芯片的蜂窝电话会更小。这种芯片还可用于高速宽带通信系统,汽车的雷达防撞系统,以及gps定位系统中,而且这些系统于以前的系统相比,速度更快,可靠性更高。另外,这一系列的产品还可以通过ti的pc工具箱根据用户的设计需要进行编程;还可以根据用户需要定制。总之,这个系列的dsp产品集中了ti所有的先进技术,在市场上反响强烈,正如该公司的一位副总裁mike hames所说"它将改变我们的生活"。
除了ti之外,朗讯公司在cdma应用方面也取得了骄人成绩,而adi公司则在车载移动通信系统上处于领先定位。
[影响]
众所周知,数字电路具有便于集成,成本低廉,更新换代迅速,使用方便等优点,而数字信号的传输和处理过程中具有保密性好,便于纠错和处理等优点。所以在诸多的应用场合,尤其是今天的数字化时代,许多模拟信号都是转为数字信号进行处理的。这就是dsp数字信号处理器大显身手的原因。
在军事方面,dsp是应用最早的领域。例如,侦察卫星收集到了由照相机或摄像机的模拟图象资料后,必须对它们进行处理以便去除背景噪声,获得有用的信息,同时还要发回地面接收站。在整个过程中,以数字化形式处理信号具有显而易见的优势。dsp可以使这些信号以加密的方式,高速传回地面。dsp用于gps制导系统中,可以高速分析定位卫星信号并将指令传给飞行器,大大提高了制导效率和制导精度。另外,军事通信,数据处理和传输都是dsp的应用范围。
在民用方面,数字移动蜂窝电话是dsp有用的最重要领域。由于dsp具有强大的计算能力以及低廉的价格使得数字移动通信系统迅速普及,原来笨重而有昂贵的"大砖头"让位给了小巧玲珑,价格合理的gsm手机。另外,由于采用dsp技术,蜂窝电话的升级换代更加方便,只要在统一的硬件平台上就可以通过软件进行,这就是新款手机不断推出的主要原因。
modem是dsp应用较早的领域。早在1987年ti的dsp芯片就用到了modem上。现在,56kb/s的modem已经是拨号上网的标准配置。最近,又开发了adsl modem,以及cable modem等产品,在这个过程中dsp芯片扮演了至关重要的角色。adsl modem对于因特网可以说是有着划时代意义的,它的下行传输速度可以高达6.3mb/s,使得传输动态图象成为可能。这样一来,制约因特网发展的速度太慢的问题就得到解决,因特网可以开展那些诸如视频点播,会议电视等新业务,从而使之成为真正的商业化传媒。
目前的硬盘容量不断增大,而价格却没有上升,这主要得益于cdsp的出现。预计,在不远的将来,一个dsp就可以完成pc机所以多媒体功能。
在消费电子方面,dsp也有极大的发展潜力。数字化的音响设备由于dsp的存在而更新换代极为迅速;在视频处理上,dsp不仅大量用于jpeg等静止图象,还用在mpeg动态图象系统中,为我们的生活增添了丰富的色彩。