数字信号处理阅读报告

Dsp在通信领域的应用10通信1班任俊松1004140116（一）《DSP在移动通信中的应用》DSP在GSM中的应用GSM的功能框图如图1所示。图中一个典型的数字通信模块包括：信号压缩、差错检测、加密、调制和均衡。最初，人们认为低功耗要求意味着大部分GSM终端将用ASIC来实现，但随着技术的发展，DSP和ASIC在功耗方面的差异就显得不是那么重要了。在GSM阶段1里编码器用RPELTP（短形脉冲激励线性预温编码）技术将语音压缩到13Kb/s，大多数硬件工程师都认为话音编码器应该由DSP来实现。并且，一旦DSP应用玩弄“不断升级”的任务中去，它就显得功能强大了。现在DSP在如图1所示的功能图中，开始承担物理层的其它功能了。在演进的标准中灵活性是非常重要的。GSM阶段2中引进了增强全速率（EFR）和半速率（HR）话音编码。半速率在达到相同的语音质量的情况下，压缩速率更高，达到5.6Kb/s，但代价是复杂性增加。增强全速率能够提供更好的话音质量和性能，其代价是复杂度更高，它是应用一种叫做矢量和激励线性预测（VSELP）的算法来实现的。随着这些变化，物理层的性能越来越好，费用越来越低，功率更节省。因此，每一代移动终端的物理层都同前一代有一些微小的差别，而基于ASIC的解决方案的升级就比较困难而且代价也比较大。因为现在有专门为无线应用设计的低功耗DSP，用ASIC实现DSP完成的功能而节省的功率不足以让系统设计师放弃用DSP设计的灵活性。1994年以后，单片DSP芯片的功能已经很强大，甚至可以用单片DSP芯片实现基带的所有功能。为了节省功率和缩小电路板的体积，几种DSP芯片，如Motorola56652和TI的数字基带平台都集成了RISC（精简指令集计算机）微控制器去处理协议和人机界面，这样就可以让DSP去专门做通信算法的任务。随着GSM移动终端的演进，它已经逐渐发展到不仅仅实现简单的电话功能，这就使得不仅仅在物理层而且在其它层也可以用到DSP。尤其是随着第三代移动通信的到来，无线数据业务的应用，这一趋势将会加速。DSP向低功耗发展的趋势新一代DSP增强的结构、设计和处理能力提供了更好的性能并且功耗更低，适合电池供电的应用。我们知道许多通信算法是乘和累加（MuAcc）运算，它包含从存储器取两个操作数，执行乘法和累加，然后将结果放回到存储器。所以我们用每百万个MuAcc消耗的mW来评估DSP的功率消耗。据统计，目前DSP的功耗每18个月就降低一半。由于DSP用的静态逻辑，主要的功率消耗就是对器件内部电容的充放电上，这个动态的功率消耗如下式所示：p=ac×V摆幅×V电源×f上式中P代表消耗的功率，a代表每个时钟周期内内部节点的周期数，v摆幅和v电源相等，f代表频率。整个芯片的动态功率消耗是电路里所有节点的P的和。从上式看到，由于每个节点的动态功率消耗同供电电压的平方成正比，那么降低供电电压对节省功率是很重要的。例如，将供电电压从3.3V降低到1.8V功率消耗降低了3.4倍。但是，仅仅降低供电电压而不改进技术，是不完善的。因此在降低供电电压的同时还要改进技术才能使性能提高和功耗下降。下面我们以TI的TMS320C54x为例，介绍它的低功耗设计。TMS320C54x是专门为无线通信应用而设计的DSP芯片。另外，随着无线市场的不断增长，市场上已经出现了另外几种专门为无线应用设计的DSP芯片，如：Lucent公司的16000系列和ADI21xx系列。C54x的结构和指令集都设计了具有节省功率的特性。C54x应用改进的哈佛结构，具有三个数据存储总线、一个程序存储总线、两个数据地址产生器和一个程序地址产生器。这种结构使得可以同时存取数，适合多操作数运算，从而完成同样的功能所需的周期变少。C54x为节省功率的另外一个策略就是增加特殊指令，这些指令能够执行在无线应用中的重要算法。例如在C54x中算术逻辑单元的移位器和指数检测器使得各种数值运算执行的单周期化，指数编码器支持话音编码的浮点运算。还有一个比较选择存储单元（CSSU）大大加速了Viterbi译码的速度。C54x指令集还包含几条专用指令，包括：单条指令重复和指令块重复、条件指令、欧几里德距离计算、FIR（有限脉冲响应）和LMS（最小均方）滤波器运算指令等。所有一切，便利目前用DSP完成IS-54/136标准里的VSELP时消耗7.4mW功率，在GSM语音编码时消耗1.3mW功率。在低功率DSP中功率管理是非常重要的，C54x应用了一种混合功率管理策略，即娄活的内部时钟控制和三种用户控制空闲模式：关闭CPU，关闭CPU和片内外设、只保持存储器状态的整个器件的关闭。基于数字锁相环的时钟发生器和北法器结合允许用户能够优化应用的频率和功耗。未来移动能信器件的应用和结构蜂窝通信自从1983年商用以来有几个发展趋势，最重要就是从模拟到数字的发展，这使得系统的容量增大，用户数增多。数字技术的使用驱动了移动终端从最初的仅有话音功能向话音外的多种数据业务方向发展。尤其是目前Internet的迅猛发展和向第三代移动通信演变的趋势，移动用户的数据业务将包括图像、话音、数据等多媒体业务将包括图像、话音数据等多媒体业务等。这些业务的发展对信号处理的要求加强，这驱动了对功能强大的DSP的需求。传统的蜂窝电话用双处理器结构实际上是一个简单的调制解调器。将来以数据业务为主的终端将会有新的结构，它必须增加处理资源去支持复杂度不断增加的用户界面，处理除了话音之外的更加复杂的数据业务和更加复杂的应用环境。其中，一个解决方案就是一个DSP核心加上协处理器结构，另外一种结构是多个DSP加上额外的硬件来加速复杂的处理。总之，未来的以数据业务为中心的移动设备需要考虑的问题有：用户界面友好、系统功耗低、软件不复杂和进入市场时间短。可编程DSP将会提供功率有效的处理，支持灵活的应用和升级，因此，低功耗DSP将在未来的移动通信中得到更加广泛的应用。（二）《DSP在多媒体通信中的应用》近年来多媒体技术在消费类和通信类产品中占据了越来越多的比重，并得到了广泛的应用。多媒体是计算机和视频技术的结合，实际上它是两个媒体；声音和图像，或者用现在的术语：音响和电视。多媒体技术得以广泛应用的一个重要基础是数字图像和数字视频的压缩编码技术的突破，使得原来无法廉价地存储、处理和传输的大数据量信息得到有效的利用。因此静止图像和视频图像的压缩编码技术，是多媒体产品中的一个非常关键的技术，也是近十多年学术和工业界非常关注的热点领越，发展非常地迅速，应用范围迅速地扩张。“多媒体”一词译自英文“Multimedia”，而该词又是由mutiple和media复合而成的。媒体（medium）原有两重含义，一是指存储信息的实体，如磁盘、光盘、磁带、半导体存储器等，中文常译作媒质；二是指传递信息的载体，如数字、文字、声音、图形等，中文译作媒介。所以与多媒体对应的一词是单媒体（Monomedia），从字面上看，多媒体就是由单媒体复合而成的啦。多媒体技术从不同的角度有着不同的定义。比如有人定义“多媒体计算机是一组硬件和软件设备；结合了各种视觉和听觉媒体，能够产生令人印象深刻的视听效果。在视觉媒体上，包括图形、动画、图像和文字等媒体，在听觉媒体上，则包括语言、立体声响和音乐等媒体。用户可以从多媒体计算机同时接触到各种各样的媒体来源”。还有人定义多媒体是“传统的计算媒体----文字、图形、图像以及逻辑分析方法等与视频、音频以及为了知识创建和表达的交互式应用的结合体”。概括起来就是：多媒体技术，即是计算机交互式综合处理多媒体信息----文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。简言之，多媒体技术就是具有集成性、实时性和交互性的计算机综合处理声文图信息的技术（这句话的三性可是精髓哦！）。多媒体在我国也有自己的定义，一般认为多媒体技术指的就是能对多种载体（媒介）上的信息和多种存储体（媒介）上的信息进行处理的技术。为了规范多媒体信息的表示，使各生产商的产品可以互相兼容，使工业界采用尽可能先进的技术，一些国际组织结合学术界和工业界的成果，制定了一系列关于多媒体应用的标准，表1列出了有关图像、视频和多媒体终端的几个典型标准。由于多媒体技术是发展中的新型技术，各种技术和标准的更新换代十分迅速，新标准不断出现替代旧的标准，一些标准即使没有被替换，自身也在进行不断的更新和补充，这给产品的设计带来困难。对实现一个标准的产品来说，采用专用芯片来实现往往是最经济的，但专用芯片一般不可编程。当一个标准被替换或更新后，原来的专用芯片不再可用，要重新设计新的硬件系统，因此一些多媒体产品不但更新换代十分地快，而且，后续的维护工作也非常困难。对许多应用来讲，用户希望产品的生命期长一些，某些平台能够通过软件升级进行更新换代，这就要求系统的硬件平台是可编程的。通用处理器是可编程的，但因功耗大，系统利用率不高，不太适合于专用设备的平台；而单片机和一般的嵌入式处理器因为运算能力较弱，也难以担负起可编程多媒体处理平台的任务。数字信号处理器因其运算能力强、功耗低成为可编程多媒体系统最合适的硬件平台。传统的数字信号处理器（DSP）是为一般的信号处理设计的通用接口，因此，其外围接口并不直接适用于多媒体系统的应用，但由于多媒体信号种类多，有些接口时序复杂（如模拟视频信号），利用外部可编程器件（FPGA，CPLD等）设计的多媒体信号接口增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性，增加了系统成本。因此，为了适应多媒体应用的需要，近年一些主要的DSP厂家专门设计了针对多媒体应用的DSP，称之为媒体处理器（MediaSignalProcessor：MSP）。MSP不但集成了适合于多媒体信号的各种信号接口，也设计了适用于多媒体通信的接口，并且在CPU内部附设了专用于视频或图像处理的辅助单元，是一种非常理想的适用于多媒体产品开发的可编程硬件平台。目前，已有多个厂家生产MSP，其中包括TI、Philips和Equator等，并有多个系列产品问世。本文将对TI生产的通用MSP系列DM64X进行简要介绍，使读者了解MSP的基本结构和应用。MSP也可以分为两类，一类是针对专用设备设计的，接口都已经专门化，例如TI针对数码相机设计的专用处理器；另一类是通用MSP，支持比较宽的多媒体应用，基本包括了多媒体应用所需的各类接口，DM64X就是这种通用MSP，下文以DM642为例，介绍其功能。图1是DM642的结构框图。图1TMS320DM642结构图由图中可以看出，DM642片上包含了如下接口：三个可配置的视频接口，可以和视频输入，输出或传输流输入无缝连接。VCXO内插控制端口（VIC）10/100Mbps以太网口（EMAC）数据管理输入输出模块（MDIO）多通道音频串行端口（McASP）I2C（Inter-integratedcircuit）总线模块两个多通道有缓存的串口（McBSPs）三个32-bit通用定时器用户可配置的16-bit或32-bit的主端口接口（HPI16/HPI32）66Mhz32-bit的PCI接口通用I/O端口（GPIO）64-bit的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储单元的连接这些接口基本上提供了设计多媒体系统所需要的外部接口。同时，DM642还针对图像和视频处理优化其中央处理器（CPU），包括为了满足视频和图象处理的需要，采用VelociTI体系结构。该MSP还采用高级超长指令字结构，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。DM642CPU的组成部分：两个通用寄存器组（A和B，各32个32-bit通用寄存器）8个功能单元（。L1，。L2，。S1，。S2，。M1，。M2，。D1，。D2）两个从内存读数据的数据通道（LD1和LD2）两个写内存的数据通道（ST1和ST2）两个数据地址通道（DA1和DA2）两个寄存器组数据交叉通道（1X和2X）DM642的这些功能，使得它非常合适作为多媒体硬件平台，基于它的各种应用系统已经出现或正在开发中，图2中，可以看到一个基于DM642的网络视频监控终端的设计例子。图2远程视频监控系统原理框图此系统各单元的主要功能如下。1.视频采集模块：将从摄像头采集的视频流，通过解码芯片，得到原始YUV视频流，送入DM642的视频端口。2.视频编码模块：片上可运行视频标准H.264编解码器。这是当前最新一代的视频编码标准，具有压缩比高，视频质量好，抗误码能力强，鲁棒性高，适宜网络传输等特点。此外，该编码器还提供性能良好的码率控制功能，能够向网络传输速率稳定的码流。3.网络传输模块：DM642提供10M/100M以太网借口，编码模块得到的编码后码流，经过本模块，由网络传输到远程网络终端。4.视频回放模块：将解码器得到的实时重建视频流，通过DM642提供的视频接口输出，并通过编码芯片，将重建视频流转换成NTSC/PAL制，由电视回放，可以看到重建视频效果。5.嵌入式控制模块：该模块以一个SOC为核心，通过PCI总线和DM642相连，实现一些控制功能，如实现硬盘读写、用户界面管理和对整个系统的控制工作。由于DSP的可编程性，本系统的核心编解码算法可以方便的进行修改，移植和升级工作。此外，本系统结合DM642以及H.264的先进性，具有视频压缩比高，主观质量好，体积小，功耗低等特点。多媒体关键技术由于多媒体系统需要将不同的媒体数据表示成统一的结构码流，然后对其进行变换、重组和分析处理，以进行进一步的存储、传送、输出和交互控制。所以，多媒体的传统关键技术主要集中在以下四类中：数据压缩技术、大规模集成电路（VLSI）制造技术、大容量的光盘存储器（CD-ROM）、实时多任务操作系统。因为这些技术取得了突破性的进展，多媒体技术才得以迅速的发展，而成为像今天这样具有强大的处理声音、文字、图像等媒体信息的能力的高科技技术。但说到当前要用于互联网络的多媒体关键技术，有些专家却认为可以按层次分为媒体处理与编码技术、多媒体系统技术、多媒体信息组织与管理技术、多媒体通信网络技术、多媒体人机接口与虚拟现实技术，以及多媒体应用技术这六个方面。而且还应该包括多媒体同步技术、多媒体操作系统技术、多媒体中间件技术、多媒体交换技术、多媒体数据库技术、超媒体技术、基于内容检索技术、多媒体通信中的QoS管理技术、多媒体会议系统技术、多媒体视频点播与交互电视技术、虚拟实景空间技术等等。多媒体组成部分一般的多媒体系统由如下四个部分的内容组成：多媒体硬件系统、多媒体操作系统、媒体处理系统工具和用户应用软件。（三）DSP技术在无线通信领域应用现状及发展前景数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石，数字信号处理(DSP)技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。DSP是Digitalsignalprocessor(数字信号处理器)的缩写，属于MPU（微处理器）的一种。自20世纪80年代初美国德州仪器公司（TaxasInstrumentTI）向市场退出第一代ＤＳＰ芯片以来，１０多年来ＤＳＰ的处理速度随着时间的前进不断提高，１９９７年１００ｍｉｐｓ，预测２００２年运算速度可达２ｇｍｉｐｓ，而ＤＳＰ的成本不断减低，每１０ＭＩＰＳ的售价已从２００美元降到了１美元。价格下降，意味着应用的扩大，ＤＳＰ已从军事、航空航天等尖端领域进入民用产品各领域，成为当今世界半导体产业的新特点。这是DSP的发展过程。下面讨论DSP的应用领域：DSP应用不同于主流的嵌入式系统应用,在那些应用中,你可以依赖一个通用的多优先级核心(Kernel)的服务。而在DSP领域,该核心与DSP模块可能是两回事,尽管核心都应该提供CPU资源、中断处理、通信机制等。所以,一个有丰富细节的核心和操作系统通常是不加以考虑的,因为它加在紧凑的DSP上实在勉强。开发者常常自已设计系统软件框架,作为目标代码的一部分一起运行。开发者甚至没有意识到自已编写了一个小型操作系统。世界上没有完美的处理器，DSP不是万能的。DSP器件的特点使得它特别适合嵌入式的实时数字信号处理任务。这样的核心/操作系统随着应用的不同是多种多样的。也需要有各种核心,支持从简单到复杂的应用。至于是自已写核心或者从别的专业公司获得帮助,那是需要在效率、紧凑、灵活、扩展性、安全等因素进行折衷考虑的。DSP应用范围很广，在无线通信应用领域范围最广无线通信应用DSP为数字信息产品带来更为广阔的发展空间,并将支持通信、计算机和消费类电子产品的数字化融合。在无线领域,DSP遍及无线交换设备、基站和手持终端;在网络领域,DSP涵盖从骨干基础设施到宽带入户设备,包括VoIP网关和IP电话、DSL和CableModem等。面向群体应用,DSP在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广播、激光打印等领域表现出色;面向个人应用,DSP在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语音识别等领域表现不俗。在自动控制领域,DSP极大满足了工业界的需求,如数字变频电力电源设备、工业缝纫机、绣花机、喷绘机等,同时DSP也极大地满足了个人消费者的需求,如变频空调、冰箱、洗衣机等。具体的数字仪器举例有：全数字电视，包括数字化演播室设备，数字化传输设备，数字电视接收机。2.数字化音响设备，DAT(数字录音带)和MD(小型光盘)的出现,使人们可以轻松享受高质量的数字录音。内置无机械系统的快闪存储器转录器,可以录音30-60分钟,也是一种数字化的高质量音响设备。3.数字电机控制，美国TI公司估计全世界的电机年产量超过100台,用DSP实现数字电机控制具有庞大的市场。为此,推出了一种新的数字信号处理芯片系列TMS320C24X,它拥有合理的电机控制配置,可应用于诸多领域,包括供热、空调和通风(HVAC)、汽车控制器、电子助力转向、防抱死刹车、压缩机、热泵、洗衣机、冰箱、打印机、复印机等电机控制部件。C24X芯片可以提供电机变速和转向的控制算法,具有产生指令、交流数据、监控系统的功能,还可以节省电机的能耗。这种芯片的批量价格约为10美元左右,容易被厂家采用。数字信号处理技术在电机控制方面的威力将日渐显现出来。数字手机和基站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。目前国内的研发工作,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。关键工作是研究优良的算法,并设法在DSP芯片上实现。数字化的电脑电视和电视电脑随着数字技术的发展和全球信息化浪潮的推动,目前有众多厂商适应了未来家庭网络化和多媒体化的消费潮流,推出了信息家庭化产品,其中电脑电视(PC-TV)就是引人注目的一种数字化产品。PC-TV是以PC为主流配置又能收看电视、能用遥控键盘或鼠标进行PC操作,具有高速Mo2dem能回放MPEG-1或MPEG-2的图像,采用带视频输出的显示卡,把VGA信号变成视频信号,兼容普通电视机和PC的显示器。今后DSP的发展预计有三个重要的方面。一是大力推进DSP技术在各个领域的应用。就在当前亚洲金融风暴使经济形势出现低迷的情况下,电子产品要找到