數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

陳頌韶

(廣東理工學(xué)院 廣東肇慶 526100)

隨著全球政治、經(jīng)濟(jì)格局的轉(zhuǎn)變，一種新型國(guó)際關(guān)系逐漸形成，我國(guó)科技創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)入了新的歷史發(fā)展階段[1]?？v觀中美貿(mào)易戰(zhàn)、日韓半導(dǎo)體貿(mào)易戰(zhàn)，充分彰顯了新型國(guó)際關(guān)系下的大國(guó)博弈聚焦科技競(jìng)爭(zhēng)的整體態(tài)勢(shì)，也再次印證了“科技才是引領(lǐng)未來(lái)行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，國(guó)家發(fā)展的支撐力”[2]。黨的十九屆五中全會(huì)[3]、2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議[4]明確提出“‘十四五’時(shí)期，集中力量打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，在戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主可控”；打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，需要“強(qiáng)化企業(yè)創(chuàng)新主體地位，促進(jìn)各類創(chuàng)新要素向企業(yè)集聚”等重要指示。數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Process，DSP)作為數(shù)字信號(hào)核心組成，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。DSP技術(shù)可通過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)處理器的實(shí)時(shí)、高速工作，具有可編程、高速靈活、低功耗等特點(diǎn)，是是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要工具。

1 DSP技術(shù)發(fā)展歷程

DSP技術(shù)起源于美國(guó)，早在20世紀(jì)50年代就由美國(guó)科學(xué)家杰克·基爾比(Jack Kilby)率先提出，該技術(shù)的誕生主要是為了促進(jìn)半導(dǎo)體集成電路的工作能效。60年代，杰克·基爾比半導(dǎo)體集成電路技術(shù)被Intel公司創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)采納，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)提出了摩爾定律，即：CPU集成電路中集成的晶體管數(shù)目，大約每2年翻1倍，而CPU性能也將提升一倍。該理論的提出，使得DSP技術(shù)發(fā)展進(jìn)入全新階段。1978年，美國(guó)AMI成功研發(fā)了世界上首個(gè)單片DSP芯片(S2811)。1979年Intel公司發(fā)布的可編程器件2920，一時(shí)間DSP成為半導(dǎo)體領(lǐng)域核心技術(shù)，而美國(guó)成為這一領(lǐng)域的霸主國(guó)[5]。直到20世紀(jì)80年代，才被努力戰(zhàn)后恢復(fù)、加速科技發(fā)展的日本打破。1980年日本NEC公司推出具有硬件乘法器功能的單片DSP設(shè)備(D7720)。此后，在CMOS技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)下，1982年美國(guó)德州儀器公司TI完成了DSP芯片成功研發(fā)，不久又推出了第3代DSP芯片，其應(yīng)用范圍更為廣泛擴(kuò)大。該技術(shù)的成功研發(fā)，奠定了90年代DSP的高速發(fā)展基調(diào)，TI公司相繼推出第4、5代DSP芯片，其中第5代DSP產(chǎn)品，采用VLSI(超大規(guī)模集成電路)技術(shù)，系統(tǒng)集成度更高、成本更低，運(yùn)算速度更快。

2 DSP技術(shù)的主要應(yīng)用

作為數(shù)字信號(hào)技術(shù)的核心組成，DSP廣泛應(yīng)用于電力、數(shù)字通信、工業(yè)控制、虛擬儀器、汽車電子等領(lǐng)域，是現(xiàn)代科技發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1 數(shù)字通信應(yīng)用

21世紀(jì)是多媒體時(shí)代，數(shù)據(jù)處理以及壓縮編碼算法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了縮小數(shù)據(jù)占用空間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，其核心就是多媒體終端信息快速處理，DSP為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編碼解碼算法功能，移動(dòng)通信語(yǔ)音壓縮和調(diào)制解調(diào)功能以及中、低速移頻功能提供了保障。

2.2 工業(yè)、制造業(yè)應(yīng)用

DSP工業(yè)、制造業(yè)應(yīng)用主要體現(xiàn)在儀器儀表領(lǐng)域。DSP由于具有豐富的片內(nèi)資源，可以極大地簡(jiǎn)化硬件電路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)(System On Chip，即SOC)。特別是在測(cè)量速度和精度方面，DSP片上系統(tǒng)能有效提高準(zhǔn)確度，縮短運(yùn)算周期，為工業(yè)開(kāi)發(fā)制造業(yè)設(shè)計(jì)提供快速、高精度儀器的平臺(tái)。

2.3 汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用

汽車已成為當(dāng)代民眾生活的必備產(chǎn)品，在汽車制造中，DSP同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。電子系統(tǒng)的安全性、可靠性是汽車整體性能的保障，也是世界汽車發(fā)展的關(guān)鍵。當(dāng)前，汽車電子系統(tǒng)中普遍采用紅外線或毫米波雷達(dá)完成汽車外部環(huán)境探測(cè)，例如：汽車防撞探測(cè)、汽車導(dǎo)航、汽車自動(dòng)泊車系統(tǒng)等。這一環(huán)節(jié)中需要大量的數(shù)據(jù)處理分析，DSP對(duì)圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確處理功能，是實(shí)現(xiàn)汽車智能化的基礎(chǔ)。

2.4 海底探測(cè)應(yīng)用

海洋開(kāi)發(fā)是21世紀(jì)資源利用的重要方向，臨海國(guó)家均制定了相關(guān)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，基于計(jì)劃形成了多種輔助研發(fā)，其中，水下探測(cè)、航行信息等具有較為重要的意義。由于海洋開(kāi)發(fā)面臨較為復(fù)雜的環(huán)境因素，如噪聲、魚(yú)叫聲、海浪聲等，都與海底偵查密切相關(guān)，直接影響著海底探測(cè)，即使通過(guò)模擬電路放大有用信號(hào)，也很難做到準(zhǔn)確了解海底環(huán)境。應(yīng)用DSP技術(shù)，能夠清晰辨別機(jī)械類發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的周期信號(hào)與海浪聲、魚(yú)叫聲等非周期信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)航行信息、探索信號(hào)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，并且根據(jù)所探測(cè)信號(hào)完成相關(guān)函數(shù)的相關(guān)處理運(yùn)算，判斷信息避免“危機(jī)”等功能。

3 DSP技術(shù)特點(diǎn)

DSP之所以能夠被廣泛應(yīng)用，總體歸結(jié)于其具有穩(wěn)定的性能。DSP優(yōu)越性能主要與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并綜合流水線技術(shù)操作，因而具有較好的靈活性、準(zhǔn)確性，其運(yùn)算速度也相對(duì)較快，可靠性強(qiáng)。在現(xiàn)代制造技術(shù)的推動(dòng)下，DSP生產(chǎn)時(shí)間也呈現(xiàn)越來(lái)越短的發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，DSP功耗大、系統(tǒng)復(fù)雜、應(yīng)用的頻率范圍受到限制等，這些缺點(diǎn)也是DSP技術(shù)攻關(guān)的主要領(lǐng)域。

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

當(dāng)前DSP主要采用哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)不同，其程序和數(shù)據(jù)采用獨(dú)立存儲(chǔ)空間設(shè)置，不存在存儲(chǔ)空間共享，其主要的傳輸也采用獨(dú)立地址、數(shù)據(jù)總線設(shè)定，極大地提升了DSP存儲(chǔ)器的尋址、獨(dú)立訪問(wèn)、數(shù)據(jù)傳輸、指令調(diào)用等運(yùn)行速度，除節(jié)省周期以外改設(shè)定可進(jìn)一步提升DSP脫離總線后的運(yùn)行速度，提高計(jì)算速度。

3.2 操作特點(diǎn)

DSP操作主要采用流水線技術(shù)，該技術(shù)可有效節(jié)省指令執(zhí)行周期時(shí)間。由于DSP在整體運(yùn)行中需要遵從讀取指令、指令解碼、取操作數(shù)等過(guò)程，需要較長(zhǎng)周期，而流水線操作則可使DSP運(yùn)行中多種指令操作同時(shí)進(jìn)行，互不干擾，并且基于一定的連續(xù)工作效率。最為重要的是，DSP在進(jìn)行一條或多條指令操作的過(guò)程中，執(zhí)行周期內(nèi)占用不同總線資源，確保DSP 處理器處理信號(hào)的精準(zhǔn)度。

3.3 算法特點(diǎn)

DSP的運(yùn)行需遵從一套特有算法，而基本上任何DSP器件內(nèi)部都配備有專用的硬件乘法器，在運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)DSP通過(guò)特有的乘法器和累加器快速完成操作數(shù)的乘法運(yùn)算和累加運(yùn)算，并通過(guò)“移位相加”原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的運(yùn)算處理。因此，很大程度上人們衡量DSP芯片“好壞”的一個(gè)關(guān)鍵性因素就是運(yùn)算處理器。

3.4 DSP的缺點(diǎn)

雖然DSP技術(shù)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，并在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但鑒于當(dāng)前技術(shù)的局限性，DSP技術(shù)也存在一定缺陷，例如：DSP處理信號(hào)受頻率范圍限制、受匯編語(yǔ)言限制，芯片成本高、軟件開(kāi)發(fā)效率較低、功率消耗較大，系統(tǒng)中高頻時(shí)鐘信息會(huì)引起高頻干擾及電磁泄露問(wèn)題的產(chǎn)生等局限，對(duì)于 DSP 處理一些信號(hào)信息任務(wù)帶來(lái)一定的影響。

4 DSP技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及啟示

隨著全球經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展以及新時(shí)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，DSP技術(shù)必然會(huì)在信息化建設(shè)應(yīng)用方面深入推廣。當(dāng)前，DSP憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在電子、通信、控制、航空航天、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的重要作用。綜合來(lái)看當(dāng)前科技發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)調(diào)“以人為本”“深度融合”等理念，不排除未來(lái)DSP 技術(shù)產(chǎn)品將向著家庭化、個(gè)人化趨勢(shì)延伸，同時(shí)鑒于服務(wù)領(lǐng)域延伸，DSP技術(shù)必然會(huì)在高度集成化、高性能、運(yùn)行速度快、低功耗、簡(jiǎn)單便攜等已有優(yōu)勢(shì)、特性的基礎(chǔ)上進(jìn)步一 提升。

①加強(qiáng)DSP 融合化發(fā)展。DSP 的多通道結(jié)構(gòu)及單指令多重?cái)?shù)據(jù)等內(nèi)核結(jié)構(gòu)作為其優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)是支撐性能和應(yīng)用的根本。在未來(lái)趨勢(shì)下，DSP與微處理器形成深度融合，既可以滿足數(shù)據(jù)處理，又可以增強(qiáng)智能性控制過(guò)程中單一的芯片處理器的多功能作業(yè)，降低功耗和整體系統(tǒng)成本費(fèi)用是一個(gè)重要趨勢(shì)。

②提升DSP高性能化發(fā)展。電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的核心是高性能，而高性能也是所有電子產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)，現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要需求。DSP作為高速度、高密度處理的電子產(chǎn)品代表，多核DSP和單核DSP技術(shù)相比，功耗更低，集成度也更高，更加準(zhǔn)確，更加易于編程和調(diào)試。已有研究顯示，通過(guò)高性能嵌入式應(yīng)用可有效提升DSP芯核集成，提高效率，同時(shí)如此改動(dòng)可使DSP實(shí)現(xiàn)超高度集成，因此未來(lái)多核DSP是其重點(diǎn)發(fā)展方向，

③重視DSP人才培養(yǎng)。DSP作為現(xiàn)代尖端科技的代表產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)離不開(kāi)人才培養(yǎng)及人力支撐，重視DSP專業(yè)人才培養(yǎng)也是促進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。當(dāng)前DSP涉及C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等混合編程方法，以上方法很大程度上關(guān)乎DSP的靈活性能，就我國(guó)相關(guān)專業(yè)人才來(lái)看仍相對(duì)較少，且青年人才嚴(yán)重不足。因此，針對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)重視人才培養(yǎng)，豐富相關(guān)知識(shí)的科普方式，可通過(guò)課外興趣小組、競(jìng)賽等形式提升青少年學(xué)習(xí)興趣[8]。