1.1 DSP简介

数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。

顾名思义，DSP主要应用在数字信号处理中，其目的主要是为了能够满足实时信号处理的要求，因此需要将数字信号处理中的常用运算执行的尽可能快，这就决定了DSP的特点和关键技术。适合数字信号处理的关键技术主要有：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址产生器、零开销循环等；提高处理速度的关键技术主要有：流水线技术、并行处理技术、超常指令（VLIW）、超标量技术、DMA等。

从广义上来讲，DSP、微处理器和微控制器（单片机）等都属于处理器，可以说DSP是一种CPU。DSP和一般的CPU又不同，最大的区别在于：CPU是冯·诺伊曼结构；而DSP是数据和地址空间分开的哈佛结构。

数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围非常广。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近年来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。

1.1.1 DSP的发展

下面主要从DSP芯片的发展概况、DSP国内的发展概况以及DSP技术的发展概况三个方面来介绍DSP的发展。

1.DSP芯片的发展概况

世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。在此之后最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instruments，TI）的一系列产品。

TI公司在1982 年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010 及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等。这类芯片采用微米工艺、NMOS技术制作，运算速度非常快。在语音合成和编码器中得到广泛的应用。

之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5x/C54x，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2xx，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8x以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62x/C67x等。

TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即TMS320C2000系列（包括TMS320C2x/C2xx）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5x/C54x/C55x）和TMS320C6000系列（TMS320C62x/C67x）。

如今，世界上DSP芯片有300多种，生产公司80多家。TI公司的一系列DSP产品已经成为当今世界上最具影响力的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50%。通过几十年的发展，DSP产品的应用已经扩大到各个领域，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素，目前DSP市场的前景十分广阔。

2.DSP国内的发展概况

国内发展DSP的厂商并不多，我国DSP的产品主要来源于海外。而主要的应用产品是DVD与无线电话等，因此国内DSP的产值并不高；在产品应用方面，目前主要的DSP应用产品有行动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通信领域应用产品，都是采用国际公司的DSP芯片。

对于DSP的发展，与国外相比，中国在软件、硬件的水平上有很大的差距，还有很长的一段路程要走。近年来，在国内一些专业DSP用户的推动下，中国DSP市场增长迅速。在DSP应用方面，中国一直保持着与国际上DSP技术同步的态势，从DSP芯片面世开始，中国就有单位应用、销售DSP芯片。随着中国社会数字化、信息化的进展和中国经济的持续稳定增长，刺激了电子信息产业和市场的快速发展，推动了DSP的广泛应用。DSP技术已日渐应用到我们生活中的每一个角落，从军用到民用，从航空航天到生产生活，DSP的应用越来越普及。

在未来的发展上，国内的业者如欲进入DSP领域，在目前这个垄断市场情况相当明显的形式下，应避免与国际公司在其擅长的领域正面交锋，若能另辟市场，选择有利于自己的产品进行发展，例如消费性电子产品市场，前景非常广阔，目前国内已有相当不错成绩的DVD产品即为一成功的例子。

3.DSP技术的发展概况

DSP技术的发展根据其内涵主要分为两个领域：即数字信号处理的理论和方法的发展；DSP处理器性能的提高。

（1）数字信号处理的理论和方法的发展

数字信号处理是以众多学科为理论基础的，所涉及的范围比较广。在数学领域，概论统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，数字信号处理与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论等也都有着很重要的联系。在近些年的新兴学科里，例如人工智能、神经网络、模式识别等都与数字信号处理密不可分。

在算法的研究方面，数字信号处理主要研究如何以最小的运算量和存储器使用量来完成特定的任务。对于数字信号处理来说，其最核心的部分就是算法的实现。即采用软件、硬件或者软件与硬件结合的方法来实现各种算法。目前各种快速算法的实现已经成为研究的热点之一。

（2）DSP处理器性能的提高

为了满足广大消费者和市场的需求，随着微电子科学技术的进步，DSP处理器的性能也正在迅速的提高，目前的时钟频率已经达到1.1GHz，处理速度已经达到90亿次/秒，32位浮点运算，数据吞吐量已经达到2Gbit/s。而且在性能提高的同时，体积、成本和功耗大幅度的下降。

DSP的发展在如上的两方面是相互促进的，理论和算法的研究推动着应用，而应用的需求又促进了理论的发展。

1.1.2 DSP的特点

本节主要从硬件、软件及系统三个方面来分别介绍DSP的特点。

1.硬件特点

（1）改进的哈佛（Modified Harvard）架构（见图1-1）

具有两条内部总线：数据总线、程序总线。程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，目前已达到90亿次浮点运算/秒（9000MFLOPS）。

（2）采用流水线技术

计算机对于每一条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干指令周期、由片内多个功能单元分别完成。流水线技术是将各个步骤重叠起来执行（见图1-2），相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运算速度。

（3）独立的硬件乘法器

乘法指令在单周期内完成数字滤波、优化卷积、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

（4）循环寻址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令

循环寻址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于1μs。

（5）独立的DMA总线和控制器

有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，TT公司C6000系列的某些DSP，其DMA速度已达800Mbyte/s以上。

（6）多处理器接口

多个处理器的使用，可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。

（7）JTAG标准测试接口（IEEE 1149标准接口）

便于对DSP片上系统的在线调试，支持多个DSP同时进行调试。

（8）低功耗

采用低功耗技术的DSP芯片功耗仅有0.1W，可以用电池供电。一般芯片的功耗大约为0.5～4W。

（9）运算精度高

以前的DSP字长位8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。有的为了防止计算过程中的溢出更高至40位。

2.软件特点

（1）立即寻址

操作数为立即数，可直接从指令中获取。例：MOV A，@0x16；将常数0x16送给寄存器A。

（2）直接寻址

比如，TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9bit指向一个数据页，再加上一个7bit的页内偏移地址，形成16bit的数据地址。这样有利于加快寻址速度。

（3）间接寻址

① 8个辅助寄存器，由一个辅助寄存器指针指定一个辅助寄存器算术单元作16bit无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中的一个。

② 8个辅助寄存器的内容相当灵活，可以装入、加上或减去立即数；可以从数据存储器装人地址；还可以作一些变址寻址。

③ 由于采用反向迸位，得以实现位倒序寻址。

（4）独特的乘法指令

例如：乘加汇编指令

MAC X0，Y0，AX：（R0）+，X0Y：（R4）+N4，Y0这条指令的意思是：将寄存器X0和Y0中的数相乘，结果加至累加寄存器A中；将指针R0所指向的X存储器地址中的值装入寄存器X0，指针R0的值加1，即指针指向下一个数据；将寄存器R4所指向的Y存储器地址中的值装入寄存器Y0，指针R4的值加N4，即指针位置从当前位置移动R4个指针类型长度。

3.系统特点

基于DSP芯片的数字信号处理系统与传统的模拟信号处理系统相比具有以下几个优点：

（1）精度高，稳定性好，抗干扰能力强

精度仅受到量化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其他噪声，因此具有较高的信噪比。另外，模拟系统的性能受到元器件参数性能的影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调试及批量生产。

（2）编程方便，容易实现复杂的算法（含有自适应算法）

DSP系统中，DSP芯片提供了一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时，可以实现复杂的数字信号处理能力。

（3）接口简单、方便

由于数字信号的电气特性简单，不同的DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议即可。

（4）集成方便

现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一的芯片上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。

（5）可程控

当系统的性能和功能发生改变时，不需要重新设计、装载和调试。如实现低通、高通、带通等不同的数字滤波；虚拟仪器中的滤波器、频谱仪；软件无线电中不同工作模式下的通信等。

另外，现代DSP芯片作为可编程超大集成电路（VLSI）器件，通过可下载的软件和固件来实现数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的运算和控制功能外，还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和指令流程设计上进行了很大的改进。

当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度非常快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。

虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使它在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。

1.1.3 DSP的技术应用

DSP最早是指一种信号处理技术，直到20世纪80年代初第一个商用数字处理器问世，DSP才逐步成为一种全新高速处理器的名称。最初DSP的应用在于专业数据通信和语音处理，各种专用调制解调器、声码器、数据加密机等。其后DSP应用扩展到广泛的民用产品，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字答录机、无线通信终端。20世纪90年代中期，DSP在数字GSM手机和无线基站应用中都获得了巨大的成功。与此同时，DSP开始全面拓展到新兴应用，并在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等众多市场上捷报频传。

作为一种重要的处理器，DSP已经处于数字信息产品核心引擎的地位，面对中外如此巨大的市场空间，更好的DSP应用有待我们去努力挖掘。

综上所述，DSP主要应用在如下几个方面：

1.通信的应用

DSP技术在通信方面的应用，主要用于移动电话、IP电话（voice over IP）、ADSL和HFC的信号传输。

下面主要以移动电话为例来说明DSP技术应用的重要性。

数字化移动电话基本上可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。

（1）高速移动电话

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、轮船和汽车里自由通话的电话。虽然数字化高速移动通信标准很多，但当今普遍应用的是欧洲GSM（Global System for Mobile Communication）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GSM标准的数字化蜂窝电话，叫做数字化大哥大，它具备国际漫游（Roaming）功能，SIMC（Subscriber Identification Module Card）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，东芝笔记本电脑也安上了数字化的大哥大。

（2）低速移动电话

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得多，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，可以距母机百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通话；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。它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有很多种。例如，欧洲较为普遍应用的DECT（DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion），日本、南韩、东南亚应用的PHS（Personal Handy phone System）以及Philips和我国联合开发的DCCT（DigitalChinaCordlessTelephone）。其中，尤以PHS和DECT制式低速移动电话发展较快。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处理器，因此，高速发展的数字化移动电话急需大量的DSP器件。

在无线通信应用中，手机终端无疑都有DSP核心，而2.5G和3G终端的发展将依靠DSP平台，其中包括智能手机。同时，无线基础设施亦离不开高性能DSP，新一带无线交换机和基站将会因采用更低功耗的DSP而缩小空间易于装备。在宽带网络应用上，从局端到接入端设备，DSP无处不在。虽然在计算机中CPU仍是主角，但在一些嵌入式应用中DSP已经在发挥作用，比如作为影像加速器、实时媒体编解码器、嵌入式调制解调器等。在某些场合的应用中，集成有RISC处理器的DSP平台已经可以胜任主处理器的工作，体现出通信与计算机应用的融合。

2.数字控制的应用

DSP技术在数字控制中的应用也有很大发展，主要用于电机控制、光驱和硬盘驱动器。

随着多媒体信息化的发展，各种信息存储媒体产品应运而生。诸如磁盘存储器、CD-ROM和DVD-ROM新产品纷纷上市。目前的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，普通PC的HDD的存储容量已高达1GB以上。而小型的HDD正在向高密度、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等特性，它对所使用的DSP性能也具有很高的要求，因此高速DSP是必不可少的关键器件。

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，都是采用数字伺服与系统控制技术。这是建立在数学模型基础之上的现代控制技术，通过复杂的矩阵运算实现控制，因此绝不可能没有高速运算的DSP。

在工业变频器中，其中DSP应用所占的比例也在增加。更多的DSP微控制项目不但围绕工业应用，如缝纫机、锈花机、雕刻机、喷绘机等，而且还拓展到健身器材等一些新的市场领域。

数字监控系统在中国仍是市场的一个热点，业内专家预计目前国内需求将突破一百万路。几年来数字系统已经逐步取代传统模拟系统，而目前基于MPEG4的数字系统又全面取代MPEG-1系统，已有领先厂商推出基于H.264的数字系统并投入市场。在早期的MPEG-1类产品中，视频有专用芯片，DSP只处理语音。在MPEG4及H.264类产品中，DSP全面完成视频和语音处理工作。

3.数字图像处理的应用

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必须具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩/解压技术也在迅速的发展和更新。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。新算法的出现，要求相应的高性能的DSP。近来，日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统，投入相当大的力量，利用现代计算机图像学CG生成三维图形，迫切需要多个DSP并行处理系统。

彩色静止图像压缩/解压，目前普遍应用JPEG标准，其核心算法为离散余弦变换。JPEG编码/译码器的应用，除了数字化照相机之外，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的应用量必将日益增长。

4.数据调制解调器的应用

众所周知，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，日益受到人们的广泛关注。特别是随着近年来Internet热潮，普通百姓在Internet上冲浪蔚然成风。利用PC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，这将会需要更高功能的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V.17（14.4kbps）再也没有用武之地。事实上，恰恰相反，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。

5.汽车电子系统的应用

汽车电子系统日益兴旺发达，诸如装设红外线和毫米波雷达等，将需要用DSP进行分析。如今，随着汽车的需求量越来越大，以及对汽车产品性能的要求越来越高，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。因此DSP在汽车电子系统领域的应用也越来越广泛。

6.其他领域的应用

DSP技术在航空航天方面，主要用于雷达和声纳信号处理；在测试/测量方面，主要用于虚拟仪器、自动测试系统、医疗诊断等；在电子娱乐方面，主要用于高清晰度电视（HDTV）、机顶盒（STB）、AC-3、家庭影院、DVD等；此外，数码相机、网络相机等都应用了DSP技术。

同时，SOC片上系统、无线应用、嵌入式DSP都是未来DSP的发展方向和趋势。可以说，没有DSP就没有对互联网的访问，也不会有多媒体，也没有无线通信。因此，DSP仍将是整个半导体工业的技术驱动力。现在，DSP应用领域不断拓宽，其涵盖面包括宽带Internet接入业务、下一代无线通信系统的发展、数字消费电子市场、汽车电子市场的发展等诸多方面。

DSP的应用领域可以说是不胜枚举。电视会议系统里，也大量应用了DSP器件。视听机器里也都应用了DSP。随着科学技术的发展，数字化进程的加速，更多的数字消费类产品中都采用了DSP。以后将会出现更多的DSP应用新的领域。