数字信号处理器DSP在通信系统中的应用

数字信号处理器 DSP在通信系统中的应用

李亮

91033 部队 山东青岛

摘要：在通信领域数字信号处理器以其实时快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。本研究对数字信号处理器相关内容，包含了数字信号处理器的概述、数字信号处理器在通信工程中的应用、数字信号处理器的发展趋势等内容进行了综述。

关键词:数字信号处理器应用趋势

引言

数字信号处理就是利用专用或通用的数字信号处理器(DSP-DigitalSignalProcessor)以数字运算的方式对信号进行分析、提取、变换等处理。当今,数字信号处理已经发展成为一个新的技术领域和独立的学科体系。现代通信的特点是信号数字化,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,并且随着通信技术的发展,DSP将发挥更大的作用。

一、DSP的特点

(1)采用哈佛(HARVARD)结构,高度并行运算大大提高运算速度传统的处理器采用程序和数据共享一个存储结构(即Von—Neumanh结构)，而使处理器的速度受总线速度的限制。DSP采用HARVARD结构,即将数据总线(DMA总线)分离开来,从而可以集合其它的并行处理单元,实现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。

(2)芯片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器,能实现单指令乘加运算和变址运算DSP内部专门设置了乘法累加结构,在硬件上实现了乘法与累加器的并行工作,能在一个指令周期内完成乘法并将乘积求和运算,以满足数字滤波卷积运算以及超越函数幂级数展开等相乘后求和的运算需要。片内专门设置了

专用变址器,便于实现变址运算。

(3)芯片内专门设置了功能很强的专用指令,可以实现指令的重叠运行DSP中每条指令的运行过程都可以分为获取、解码、读、执行几个阶段组成,每个阶段独立操作,指令可以重叠。DSP还在硬件上采用了数组处理技术,可以在寄存器、运算单元中处理变量的同时,使用指针访问数据存储器。而并行工作构成了功能很强的复合指令,它相当于通用CPU多条指令。

(4)芯片内设置了多种功能很强的外围器件和接口,使其运算速度比PC机要快很多倍现今的DSP在其结构上一般配备可编程定时高速串行接口、多处理器连接接口等。在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能。因频谱分析的理论基础是快速傅立叶变换(FFT),从而大大加快了频谱分析处理过程。

(5)DSP增加了硬件循环控制,当完成循环初始化后,实际运行中循环不再消耗指令周期。大大提高了数字信号处理的运算速度。

(6)超长指令字(VLIW)结构,使设计简单化,不需要动态码再排序的硬件支持VLIW是指令级的并行机制,它在一个长指令中,安排了若干个操作在多个功能单元中同时被执行。VLIW结构将复杂性从硬件移到了编译器,它的处理器依赖于指令编译的快慢。其特点是在单个周期内,将含有多项运算操作的指令划分为多个操作,这些操作的发出与执行都采用并行方式,以提高每次执行的操作总数。

二、DSP在现代通信中的应用

由于DSP独特的系统体系结构、硬件密集型方案和灵活的处理指令,因此其数字处理功能很强,运算性能强,接口方便,利于集成等。所以它在数字语音通信和多媒体通信等方面得到了广泛的应用。

多媒体通信是信息传输媒体具有多种形式的通信。多种形式的传输媒体包括文字、语言、图象、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据,而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的,只有采用先进的压缩编码算法对其进行压缩,节省存储空间,提高通信线路的传输效率,才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息,并具有较强的交互性。因此,DSP在语音编码、图象压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。如今的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。

移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控(FSK)、相移键控(PSK)的调制与解调以及正交调幅(QAM)调制与解调等。

软件无线电(SoftwareRadio)是一种新的无线通信技术。信号的数字化是实现软件无线电的先决条件。软件无线电对数字信号处理的要求极高,不仅要求数字信号处理器DSP具有高速的数字处理运算能力,而且还要求DSP具有极其高速的数字处理运算能力,数据通讯接口也要大力加强。

三、DSP应用的未来发展趋势

（一）多DSP并行处理。在通信系统，许多情况下利用数字信号处理器来完成系统中的一部分重要功能，但就目前的一般情况而言，往往是单个DSP的处理能力有限且DSP的接口与其他器件的接口不能直接兼容，而整个系统需求的处理容量较大且要求接口灵活。因此，在一个通信系统中，多个DSP之间及其与其它器件直接按的接口的协调处理就显得尤为重要，而完成这样的工作目前主要依靠可编程逻辑器件来完成。而多DSP之间的协调又有两个条件必须满足：“第一是存储器的宽带必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高；第二就是多个功能单元所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的并适于应用。

（二）存储器构架的变化。随着芯片主频的不断攀升，存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下，片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加，影响到数据线上信号的开关时间，这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器与CPU内核速度不匹配的问题，高性能的CPU普遍采用Cache（高速缓存），或者两级Cache的机制新的DSP芯片已经开始采用这种结构，但是，采用Cache机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性，其对于实时系统的影响则在特定应用情况下必须被考虑在内。

（三）SOC的趋势。对于特定的终端应用，SOC（系统芯片）可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素，因而逐渐成为芯片设计的主流。DSP器件也已经逐步从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的SOC器件。这些SOC器件多采用DSP+ARM的双核结构，既可以满足核心算法实现需求，有能够满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片，用户只需添加极少的应用系统。

参考文献：

[1]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用.[M].北京:电子工业出版社.2003.

[2]速奎风.DSP应用系统设计.[M].北京:北京航空航天大学出版社.2008.