神奇的数字信号处理[DSP]世界

suncon · 发表于 2003-6-27 15:37:00

神奇的数字信号处理世界

“多媒体”视觉和听觉信号的可移植性，以及人脑对这些信号的处理和存储能力，是我们康乐和进步的基础。从多种多样信号源到各种各样接收区的过程中，信号的生成、处理、存储和传输要依靠人对感知属性理解的神奇进步以及半导体工业的技术进展。

近年来，人们对数字信号处理在电信和娱乐系统中的应用给予了巨大关注，这是因为大规模集成电路的尺寸和功率越来越小，抗干扰能力越来越强，可靠性越来越高。

1978年我开发过一种音频混合系统，其输入信道有48条，经处理、混合后再输出给立体声信道。我的任务是把一种模拟产品(运算放大器、导线、变压器，等等)转化成一种全数字产品。当时，市场上有几种未成型的微处理器，一种64针双列直插封装乘法器，若干种构建Lego砖型信号处理系统用的位片处理器(bit-slice processor)，大量RAM和ROM芯片，以及若干种音频采样速率为每秒5千次的16位模/数和数/模转换器。

我设计的第一个系统达到的电路板时钟速度约为7MHz，据此我可以在每个信道音频采样点之间执行142条专用指令。每个四参数均衡器组都要占用19条指令以对信号整形，其余指令用于立体声信号的检验、路由选择和组合，然后将它们混频输出。系统的销售价格，包括机架、控制台金属件/木器，一共为40万美元。系统的摆放要占用一个房间。

25年过去了，现在类似的处理系统，包括金属和塑料件，所占的空间还不到一块PC主板那么大，成本还不到原来的百分之一。位片处理器已由结构日趋标准化的芯片所代替，它们能执行更多的并行操作。乘法器已经设计到处理器之中，导线连接已经由一段C语言可编译程序构成的本地指令集代替。系统板频率达到几百MHz，芯片频率还要高些。今天，我们可以构建更为复杂的系统，甚至带有相应的视频处理功能，而且，功能可以很容易地更改。

把信号从信源以低成本、高保真和快速的方式传输到目的地的要求是DSP发展的驱动力之一。传送一个未压缩音频立体声信道需要1,600kbps的速率。利用信号压缩算法后，利用100MHz 的DSP就可达到64到128kbps的传输速率。为此，需要对信号进行检测和相关处理，以便提取出所传输的信息。这些操作占用越来越多的内存。在当今的DSP硅架构中，内存结构是“海”，处理内核则是“岛”。

要想拿到进入DSP技艺神奇世界的入场券，就要做到至少以两倍于信号带宽的频率对信号采样。如今被转换成一连串二进制数字的信号在拥有足够内存计算环境中进行处理(目前的局限性在于对音频采样值的处理速率和精度)，我们可以巧妙地在一条拥挤或有限的传输或存储媒介上传输信号，我们还可以进行滤波、均衡、动态地压缩、变换采样率、时间切换、频率切换和同步等处理，也可以进行静态、动态或统计地复用。半导体技术已经克服了重大局限,要做到这些并不会太困难，带多DSP内核和无线通信应用中的标准接口的新产品开发(如ST公司的Nomadik和TI公司的OMAP的开发成功)就能充分证明这一点。然而，随着系统复杂性的不断增加，为了成功进入市场，研发重点将不得不转移到架构标准化、设计方法学、软件管理复杂度和IP复用等领域。

作者：Kay Das
新加坡研发中心主任
STMicroelectronics公司

sohappylym · 发表于 2003-7-7 23:44:00

TI公司的DSP中分类比较清楚：
2000和5000系列属于定点，其中2000主要用于各种工业控制，同现在比较流行的ARM一同是今后取代单片机的典型新元件；5000系列应用最广泛在音频控制领域，同时对许多主频要求比较高的定点控制领域也是非常好的选择，跟激光打标控制关系密切。
3000和6000系列属于浮点，其中6000系列非常出名，在图象处理领域成为许多研究所和高科技公司的至爱，但是此系列的产品开发周期比较长，因为实在是太复杂了....
武汉717所一堆人做，时间订倒3年后了，汗~~~~~~~~~
8000系列...........双CPU,不说了吧..........

suncon · 发表于 2003-6-29 06:25:00

如何进行DSP算法解码
How to Decode DSP Algorithms
■Cirrus Logic公司 Daryl Sartain
当讨论利用DSP结构进行算法解码时，必须将视野扩展到最终消费者。只有这样才能更好地了解消费者的决策过程及购买模式。一般说来，消费者的主要选择标准应包括一系列的基本技术特性，比如杜比音频解码和DVD视频支持。此外，一些审美因素和比较新颖的特性也会在决策考虑之列。考虑到这些因素，可编程引擎应该是半导体供应商最佳的结构性方案。有了可编程特性，整个系统才可以有多种形式供选择，以满足不同消费者的偏好和特殊要求。

第一个结构性选择是决定在芯片内采用DSP引擎。必须基于解码算法确定这一引擎的具体要求。Cirrus Logic开发各种各样的音频、视频和网络应用，而且每一种应用都有自己特殊的要求。举个简单的例子，一个MPEG视频解码器可工作于8位数据总线上(即每个RGB或Y、Cr、Cb视频分量的字长是8位)，内核引擎应能够处理24位宽数据总线以便所有三个视频分量可同时工作。尽管采用24 位引擎会使得DSP引擎变大三倍，但它可以以原来1/3的速度运行。这种成本/性能的平衡方法是开发任何芯片方案的关键决策。

每一组算法或应用也需要类似的折衷，但这些折衷可能会有深远的影响，并需要系统级的交互。我们将通过对Cirrus的Audio DSP方案进行分析来说明这一点。这一方案主要针对音频/视频接收器市场，Cirrus约占该市场60%-65%的份额。音频算法经过多年的发展，现已包括各种压缩方案、环绕声和音效增强方案。一般地，当从存储媒质读取数据流或从广播源将音频馈送至系统时，首先要执行的任务是数据流解压缩。可以采用行业标准算法进行解压缩，但即便在这种环境下设计折衷也是存在的。最重要的决定是如何选择遍及整个DSP的数据路径的宽度。为了更全面地了解这一问题，有必要介绍一些这方面的知识。

自从便于存储和传输的音频数字化出现时，两个重要参数一直就是系统设计的核心。它们分别是转换速度和转换分辨率(每采样的位数)，而且它们决定了声音播放的特征。早期的数字化音频一般采用8-12位数据转换器，采样率为32kHz至48kHz。所选频率是在人耳能够听到的奈奎斯特频率范围之内，分辨率是现有转换器技术与在给定分辨率下声音质量之间的折衷。当然，随着时间的推移，系统要求也在不断提高。现在的系统采用20到24位的采样分辨率，而采样率则高达192kHz。高性能扬声器系统及更高的系统性能要求驱动着采样分辨率的不断提高。

提高采样分辨率可降低噪声，并大大提高系统动态范围。因此，在喧闹和动态的音乐现场，比较静的音乐也不会听到音乐在高音量播放时所发出的嘶嘶声。当采用有损耗的压缩方案时，低噪声也同样重要。在有较高的噪声存在时，有损耗的压缩性能表现不会太好。因此，这类压缩方案对低分辨率音频的负面影响比较大。高分辨率在降低带内噪音的同时，较高的采样率还可减少信号失真。选择奈奎斯特作为转换器采样率可确保频率达到采样率的一半时仍可再生。尽管如此，高频失真仍比低频失真严重。设想一个采样率为48kHz的系统，如果输入是1kHz，该系统可使用48个采样来再生一个完整的周期。但如果输入是24kHz，只有两个采样可用来完成同样的任务。两个采样将生成一个三角波，而不是正弦波，结果信号就会严重失真。在整个输入频率范围内，这一失真将会线性增加。如果将采样率提高至96kHz或192kHz，高频信号的失真就会大大降低。数字音频的这些演变对用于音频解码和处理的DSP的结构有着重要影响。

两个关键音频参数对应于两个DSP指标。采样率要求有足够的处理周期对最高速率的音频流进行解码和后处理，将处理器内核的分辨率提高至高于采样分辨率即可满足音频采样分辨率的要求。这样可确保执行乘法或加法运算时所产生的截断误差不会累积到对最终结果有明显影响的程度。例如，当处理24位音频时，一般可选择一个32位的处理器用于数据路径。另一种方法是采用较小的数据路径，对音频采样进行双倍精度的计算。当然，这需要更多的处理周期，而且对整个运算过程中的所有中间结果都必须密切关注。

近年来，音频和视频处理器的结构性折衷促成了完全可编程DSP内核的产生。这种DSP内核可处理有特定分辨率和带宽要求的数据。在音频领域，工作频率约为100至200 MHz的24位和32位DSP内核可满足这类应用的音频编/解码要求。

wdy9006 · 发表于 2003-6-28 02:51:00

长见识！

suncon · 发表于 2003-6-27 15:40:00

DSP的过去、现在和未来

上个世纪八十年代中期，TI公司的一位工程师觉得设计传统DSP开发板上的所有接口实在太麻烦了，于是他就开发出了第一块基于PC的DSP开发板。随后，TI对它进行了完善，为公司最初的TMS32010 DSP芯片开发了一个PC开发平台。为了在DSP芯片上开发算法而将PC用作“人机界面”可谓是一项创举。

“这是TI早期在DSP芯片领域的关键优势之一，因为那时候它的竞争对手需要使用专门的、独立的开发工具套件来为显示器终端、打印机、纸或磁带阅读机提供几乎没有交互功能的串行接口，”市场研究公司Forward Concepts总裁Will Strauss评价道。

除了带来方便的键盘和显示器，PC还可直接存取磁盘(软盘)驱动器和那时候看来可谓“海量”的360kB软盘，这是传统开发板没有的功能。一名工程师的“偷懒”行为为TI带来了巨大的利益。

DSP的发展史经历了许多这样的曲折故事。在九十年代中期，随着GSM之类的数字蜂窝网络推动无线产品巨大市场的浮现，DSP的另外一个转折点出现了。DSP是这次从模拟向数字无线通信转变的发动机。几乎与此同时，互联网的蓬勃发展使多媒体应用第一次变为现实。在这个领域，DSP成为推动以多媒体应用为中心的宽带互联网革命的先锋。

为了庆祝DSP这一伟大技术诞生25周年，在回顾历史之余，本期增刊还将管窥DSP行业未来将面临的挑战。将DSP知识产权(IP)集成到可编程逻辑器件中是最重要的课题之一，赛灵思(Xilinx)公司首席执行官 Wim Roelandts将探讨DSP在FPGA领域实现的一些发展方向；而伯克利设计技术公司(BDTI)的Jeff Bier则会阐述使用嵌入式DSP解决方案的各种挑战。

ADI公司的David Katz 和 Rick Gentile将介绍为网络多媒体挑选DSP解决方案的设计技巧。此外，StarCore公司的David Rosado会剖析带灵活指令集的可伸缩DSP架构的突出特点，以及它如何优化无线产品中的DSP应用。

来自NEC的一篇文章将介绍该公司的DSP发展历史。另一方面，作为飞利浦科技孵化器的Silicon Hive公司的首席执行官Atul Sinha则会探讨可重构领域的DSP。

出版DSP周年纪念增刊的目的是为了揭示DSP技术不为人知的细节，涉及的内容从技术发展曲线到设计技巧一应俱全，以便为亚洲的设计工程师展现这一关键技术的全貌。这里将呈上我们所了解的DSP的过去、现在和未来。

作者：Majeed Ahmad

suncon · 发表于 2003-6-27 15:39:00

DSP芯片的早期发展史

数字信号处理(DSP)技术已经在我们的生活中变得非常普及。今天，DSP使我们能够在互联网上自由冲浪，并已成为消费类电子产品的心脏，DSP还使得多媒体服务和设备成为可能。DSP是今天数字无线网络的基础和IP电话的关键。DSP已经彻底改变了医学成像和听觉辅助产业的面貌，并正在快速进入家用电器、汽车以及其它多种产品中。不过，DSP并不是一夜之间就变得如此普及的。

在70年代早期，科学家们开始使用当时最新的TTL(晶体管-晶体管-逻辑)分立逻辑芯片来实现专用的DSP“引擎”。他们实现的第一个DSP系统速度相当慢而且体积很大，但第二代集成电路(IC)实现开始使用位-片逻辑，例如AMD公司的AM2901 TTL 4位算术逻辑单元(ALU)。1973年，TRW公司交付了第一个实用化并行乘法器设计，并从1975年开始与那些位-片ALU一起使用。但那个乘法器芯片的成本高达数百美元，因此能够使用得起这种产品的用户只能是研究实验室、医学扫描设备制造商和军队。

1978年，美国微系统公司(AMI)宣布推出第一款专门用于数字信号处理的单片集成电路，即12位的S2811。虽然采用了创新性电路设计，但由于该芯片采用了当时太过先进的“V槽”MOS技术来实现，因此一直未能制造出大批量商业化产品。

1979年，英特尔公司推出Intel 2920“模拟信号处理器”芯片。这款16位芯片之所以被这样称谓，是因为它被设计用作模拟电路的“嵌入式”替代品，内含A/D和D/A转换器。毕竟，它是以数字化方式来处理模拟信号的。2920没有使用并行乘法器，因此速度非常慢(周期为600ns)，对音频领域的处理任务来说基本上没什么用处。。。不过，最初的大批量DSP芯片市场最后首先在此形成。

全球第一批“真正”的单片数字信号处理器(Forward Concepts公司将它定义为具有并行乘法累加器(MAC)的电路)是在1980年初推向市场的，它们分别是ATT贝尔实验室的DSP-1和NEC的uPD7720。ATT的DSP-1芯片当时在ATT/Western Electric设备上用于数据捕获，因此严格意义上讲，NEC的uPD7720才是第一个真正商用化的单片DSP。虽然受到当时开发工具的性能限制，但Upd7720芯片的速度(一个时钟周期为122ns，MAC需要2个周期)已足够用于完成音频领域的工作，这也是第一款得到大批量订单的DSP芯片。

1980年底，理光公司的Hiromitsu Yagi采用传统的NMOS工艺对原来的AMI S2811芯片重新做了设计，最终形成了Ricoh RD28211和AMI S28211这二颗芯片。Yagi先生后来移居美国并开始设计自己的DSP，同时创立了Clarkspur Design公司。该公司在1998年成为全球首家发放DSP内核使用许可证的公司(ARM公司的RISC CPU授权许可直到1990年才开始)。Clarkspur Design公司的系列DSP内核后来成为Cirrus Logic、三星、Zilog等许多公司设计ASIC的基础。

德州仪器公司(TI)已故的Ed Cordell在1980年设计了TI第一款DSP芯片的初始结构。Cordell是后来流行的TI TMS1000 8位MCU的早期设计者之一。Surendar Magar博士同年开始从事围绕DSP算法的结构优化工作。1982年2月，Magar博士在第一流的国际固态电路会议(ISSCC)论文上发表了工作成果。Cordell在1982年4月举行的法国巴黎国际声学、语音和信号处理会议(ICASSP)上发布了决定性的TMS32010产品。

TI对DSP潜能的较早认识使它在产品获利前渡过了整整7年的“传教”经历，随后许多公司才认识到市场成熟期的到来。现在，由TI领头的可编程DSP芯片市场的年收入已经高达50亿美元。DSP技术也被嵌入进RISC、ASIC、ASSP和FPGA宿主产品内部，从而形成了另外一个100亿美元的以DSP为基础的芯片市场。DSP技术正在以不同的方式改变着我们的生活，而可编程DSP芯片则是DSP系列芯片中最耀眼的明珠。DSP作为一种技术现已成为整个半导体市场的主要增长动力。 TI DSP主频达到创记录的1GHz

TI刚刚在今年三月份宣布推出创记录的720MHz DSP，余音未消，日前TI又在一次技术演示中成功推出了1GHz的DSP。

基于1GHz DSP的产品(例如无线家庭媒体中心)将可实现同时在家里从多种设备观看高精度电视，还可以通过家庭网络中的多种娱乐和教育设备(包括电视、电脑以及 PDA等)进行数字照片的存储和观看。

1GHz DSP将使系统制造商毋需再选用ASIC或其它硬件途径来实现基带处理和其它高级功能。1GHz DSP将有助于设计人员在目前的数字基带处理应用中实现更高的通道密度，以及实现一些先进的下一代基站功能，如智能天线处理(聚束和自适应天线阵列)、干扰消除、多用户检测和PA线性化。此外，1GHz DSP还将允许在全数字化网络上提供具有实时广播质量的视频点播服务，进一步实现自动译码视频、数率转换视频、实时音频同步、音频编码／译码支持、视频流的多路复用与多路分解、以及加密等。

TI 预计将于 2004 年上半年利用其最新的 90纳米铜工艺技术提供1GHz DSP样片。

作者：Will Strauss
总裁
Forward Concepts公司

suncon · 发表于 2003-6-27 15:38:00

DSP为人类生活创造无限精彩

自从1982年德州仪器(TI)公司推出世界上第一个数字信号处理器(DSP)集成电路以来，已经过去了20多年。DSP和相关的科学技术给人类生活带来了很多方面的进步。它的高精度信号处理能力可实现高精度控制，对实时信号的分析和处理能力则支持下述开发应用：所有计算机上的高速高密度硬盘驱动器；工业应用中的超低噪音、高效率的马达驱动器。

将来，同样的技术还将把现在使用模拟技术的“关键任务”供电系统变为一种数字系统。低功耗信号处理技术使得DSP甚至可以工作于几百兆赫兹，这有利于创造移动通讯的精彩世界，事实上所有的手机至少使用了一片DSP，而基站发送和接收无线信号没有DSP是无法工作的。这种低功率DSP已经改变了我们学习、生活和娱乐方式。新时代的“宠儿”——数码相机、ADSL、MP3播放器、便携式视频播放器、VoIP电话以及无线PDA、无线局域网、DVD等等，都内置了DSP。

从帮助鉴别胎儿性别的图像扫描仪到为控制SARS疫情蔓延而在机场安装的红外线热感应设备，从接收卫星信号的小盒子到各种场所使用的录像监控安全系统，再到视频会议、可视电话、宽带线缆调制解调器等等，DSP为这些应用提供了实时信号处理功能。

随着时代不断地向前发展，DSP仍将是有线和无线通讯、音频和视频处理以及高精度马达控制中实时信号处理的首选引擎。市场对高速、低功耗和高集成度的需求仍将继续。TI的 C55x DSP是世界上功率效率最高的DSP。TI今年早期还发布了工作于720MHz的全球速度最快的DSP。而OMAP产品的成功是对实现更高集成度的证明。OMAP产品在单个芯片上集成了DSP和ARM，为多媒体应用领域创建了一个功能强大的平台。

DSP对提高人们的生活质量所做的贡献是巨大的。这一点不仅能从DSP的广泛应用而且能从这一市场的增长上反映出来。现在DSP的市场规模是40亿美元，并且仍在增长。

DSP相关业务的成功不仅为消费者提供了便利，设备制造商、为DSP核心产品提供周边元件的生产商以及为DSP提供配套软件的软件开发商们也都从中获得了好处。这些DSP软硬件开发者与合作伙伴们对DSP事业的成功所做的贡献是无法估量的，没有他们，就不会有今天如此精彩的DSP世界

作者：Eldon Teng
亚太区行销拓展总监
德州仪器公司

神奇的数字信号处理[DSP]世界