[原创]DSP产品应用

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DSP产品应用

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在即将告别20世纪、步入21世纪的世纪之交的时刻，让我们首先回顾一下国际上电子工业最近30年来发展的历程：70年代的电子工业以消费电子为主，代表性的产品是录像机、摄像机、彩电，主要的生产厂商是日本的Sony、JVC、荷兰的Philips等家电厂商，依靠的是大规模生产和优秀的质量。80年代是计算机时代，代表性的产品是PC机、硬盘驱动器、打印机，主要生产厂商是美国的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息时代，代表性的产品是个人通信网、网络接入设备、数字化消费类电子产品，主要生产厂商目前尚难确定，处于战国七雄争霸时代，主要获胜的战略之一是以DSP为核心的技术及其创新产品。

---- DSP可以代表数字信号处理技术，也可以代表数字信号处理器，其实两者是不可分割的，前者是理论上的技术，要通过后者变成实际产品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段棗数字信号处理解决方案（DSPS）。

---- DSPS正在改变我们生活方式的各个方面，例如人们之间的联系方式正由电话转向个人通信方式。人类从电话发明到5千万电话用户数花了70年时间，模拟蜂窝电话达到5千万用户花了14年，而数字蜂窝电话（GSM是其中之一）只花了5年就达到相同的用户数。

---- 再如我们的娱乐方式，VCD、DVD正替代VHS录像机，数字电视机开始替代模拟的NTSC或PAL制电视机。家庭影院主要由数字化A/V设备组成，DSP不仅给你环绕声，还为你虚拟各种现场效果。

---- DSP日益进入人们的生活，所以DSP芯片的年增长率超过50，在最近几年整个半导体产量下降的情况下，唯有DSP芯片保持高速增长的势头。

---- DSP的发展面临的挑战是CPU速度的急速增快和价格的持续下降，使DSP制造商面临两种选择，一种是加快DSP的发展，另一种是退出竞争。看来主要的DSP制造商都选择了第一种路线，尤其是占全球DSP销售份额45的美国ti公司在对公司的产品进行结构性调整的基础上，以多元化投资转到单一化投资，确立以DSPS为主要发展的产品，即集所有技术、所有产品于DSP。

---- TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、

TMS320C8X的基础上发展了三种新的DSP系列，它们是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成为当前和未来相当长时期内TI DSP的主流产品，前面提到的那些老型号产品均将被这三种新系列产品替代。从今年开始，’C1X、’C25、C5X、C8X的价格每年都会上调，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三种新系列芯片的价格会逐年作较大幅度的下调，因此无论从价格还是技术支持或是从产品开发的连续性出发，建议大家尽量采用新的DSP系列，在进行教学、培训时也应介绍这三种新的系列。

三种新型TMS320 DSP系列的特点

---- 1.TMS320C2000——作控制用的最佳DSP，可以替代老的’C1X和’C2X。现在有趋势集中在以下两个方向上：

---- （1）’C20X 16位定点DSP，速度为20MIPS，主要用途是电话、数字相机、售货机等，其中：’F206带有闪速存储器，售价从5～17美元。

---- （2）’C24X 16位定点DSP，速度为20MIPS，用作数字马达控制、工业自动化、电力转换系统、空调等，售价从4～18美元。

---- 2.TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定点，速度40～200MIPS。主要用途是有线和无线通信、IP、便携式信息系统、寻呼机、助听器等。价格5～75美元。

---- 目前’C5000系列中又有三种新成员，一种是’C5402，这是廉价型的DSP，目标价格是每片5美元（50K批量），速度保持100MIPS，片内存储空间稍小一些，RAM为16K、ROM为4K。主要应用对象是无线Modem、新一代PDA、网络电话和其它电话系统以及消费类电子产品。

---- 第二种是’C5420，它拥有两个DSP核，速度达到200MIPS，200K片内RAM，功耗0.32mA/MIPS，200MIPS全速工作时不超过120mW，为业内功耗最低的DSP。’C5420是当今集成度最高的定点DSP，适合于做多通道基站、服务器、Modem和电话系统等要求高性能、低功耗、小尺寸的场合。

---- 第三种是’C5416，它是TI公司0.15μm器件中的第一款，速度为160MIPS，有三个多通道缓冲串行口（McBSPs），能够直接与T1或E1线路联接，不需要外部逻辑电路，有128K片内RAM。应用对象是VoIP、通信服务器、PBX（专用小交换机）和计算机电话系统等。

---- 3.TMS320C6000——这是TI公司1997年2月推向市场的高性能DSP，综合了目前DSP的所有优点，具有最佳的性价比和低功耗。’C6000系列中又分成定点和浮点两类。

---- （1）’C62XX 16位定点DSP，速度为1200～2000MIPS，用于无线基站、ADSL Modem、网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等，价格为21～224美元。

---- （2）’C67XX 32位浮点DSP，速度为1Gflops，用于基站数字波束形成、医学图像处理、语音识别、3-D图形等，价格109～233美元。

---- C6000在向两个方向发展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同时向廉价型发展。前者如定点’C6202可以达到2000MIPS的速度，后者如定点’C6211只有25美元、浮点的’C6711仅售20美元。

---- 在老的TI DSP系列中，浮点’C30还是TI公司主推的产品，因此它的售价不像其它老系列每年都要提升。TI公司还在对这个型号作性能改进和制造廉价型，如新近推出的’C33采用0.18μm制造工艺，有1M RAM，速度为120Mflops，为老产品的两倍，而价格仅5美元。速度更高的150Mflops为8美元。’C33与其它’C3X器件代码兼容，所以用户可以保护其软件环境，在他们换用新器件时还可以减少开发时间。

---- 上面所介绍的TI公司的新一代DSP已经替代80年代和90年代初的老一代产品，在电子信息产业方面获得了广泛的应用。’C2000系列已用于数字马达控制、数字照相机、PC照相机；’C5000系列用于蜂窝网手机、程控交换；’C6000系列用于基站、ADSL、V.90 56K Modem。

---- 有数百家直接依靠TI的DSP而成立的公司，称为TI的第三方（Their Party），它们有做DSP开发工具的，有从事DSP硬件平台开发的，有从事DSP应用软件开发的。这些公司基本上是80年代末，90年代初才创建的，开始时往往只有几个人，经过5年、10年现在均发展到具有相当规模。如D2 Technologies、DSP Research、DSP Tools、Dialogic、GD DSP、HotHaus、Micro LAB Systems、PenTek、Seed、Spectrum Digital、Spectrum Signal Processing、White Mountain DSP等公司，在DSP开发工具、应用软件、DSP平台方面都很有成就。

---- 相对国外DSP的应用开发和第三方公司的情况，我国国内差距相当大，知道使用DSP的单位不多，这些单位中大多数还在使用’C25，’C5X。DSP工具开发已经起步，但也只有闻亭和合众达两家，而专门从事DSP硬件平台和应用软件开发的单位和公司还没有，“第三方”在中国基本上是空白。

---- 上海交通大学在1997年初与TI公司联合成立了DSP技术中心，除在本科生和研究生中进行新一代DSP的教学外，还尽一切努力开展DSP的应用研究，研究的目标完全放在新产品的开发方面。我们（指上海交大，以下皆同）组成了一支包括教师、研究生在内的三十余人的DSP应用R&D队伍，配备有TI公司提供的最新DSP开发工具和齐全的资料，并获得上海市科委的支持，设立了上海数字技术中心。目前我们已经和正在进行研究和开发的项目主要分成以下三类：

---- 1. 语音编码及其相关产品 在所有的通信系统中，语音通信仍然是最基本的通信方式，也是应用最普遍的。ITU制订了许多语音压缩标准，我们已经做出来的有用’C542实现的G.728、G.723、GSM06.10，正在进行的有G.722、G.726、G.729、FS1016等。

---- 在此基础上正在研制多通道电话记录仪。用自制的’C542电话压缩卡，将一张电话卡的数码率从64kbps降到13kbps，语音质量MOS（平均判分）为3.7，而国内使用最普遍的语音卡采用ADPCM算法，32kbps时才有相同的音质，号称能用到16kbps，但音质仅为2分。我们每张卡可同时压缩8路电话，一台PC机可插4张卡，同时压缩32路电话。另一个正在开发的是数字电话扩容系统（DCME），采用’C6201DSP和ITU-G.728语音压缩算法、将E1的每路64kbps电话压缩到16kbps，压缩4倍，这样可将30路的E1扩容至120路的E2系统。

---- 2. Hi-Fi音频压缩及相关产品 最近几年VCD、DVD、MD、DAB、DVB等数字音视频产品万紫千红，在这些数字化新家电中，DSP最起作用的地方是Hi-Fi的音频处理，我们已对MPEG音频Layer2、Layer3、MPEG-2 AAC、Dolby AC-3等用C语言仿真研究，在此基础上用’C549实现了MP3解码器的初样。正在用’C6201和’C6701分别实现MP3编码器和MPEG-2 AAC编解码器。MPEG-2 AAC重建的音质超过MP3和AC-3将成为21世纪直播卫星、地面DAB和SW、MW、AM广播数字化的首选标准。

---- 3. 图象压缩及相关产品 完成用’C542实现的脱机的便携式彩色静止图像传输系统，分辨率有576×480、352×288（CIF）、176×144（QCIF）等可选择，发送端图像压缩终端如一般的Modem大小，可通过Modem在PSTN（公共交换电话网）上拨号传输图像，也可通过无线Modem在CDPD分组无线数据网中传输，适用于远程监控、彩色文件传送。在此基础上正在开发用’C6201 DSP的符合H.263标准的可视电话。

---- 我们对DSP的应用前景充满希望和信心，也盼望有更多的高校、科研机构、公司开展DSP的应用研究，藉此开发最新的数字化电子产品，为振兴我国电子工业作出贡献。

　　在新闻界一片赞扬数字化声中，世界电子产品市场又开始热闹起来。形形色色的数字化电子机器产品，繁花似锦，诸如，数字化电视机、数字化移动电话、数字化无绳电话、数字化照像机和数字化摄像记录一体型VTR等，不胜列举。数字化电子机器日益增多，意味着迈向多媒体信息化社会的步伐加快。实现多媒体信息化已不是梦想，而是一步一步地向人们走来。对于多媒体信息化社会，需要以先进的技术手段去传送、处理和显示极为庞大而复杂的数据。固然模拟式的电子机器实现数字化可以提高性能和质量，而另一方也需要装备大量的高速数字集成电路IC。特别是模拟式的图形、图像信息转换成数字化的代码信息，尽管采用现代数字压缩技术，仍然是存在相当可观的信息量。例如，一部72分钟的电影胶片，采用MPEGⅡ技术压缩后的数字化代码图像信息。仍需要高达3GB的磁盘才能容纳下全球信息。

　　现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电路、它恰好适应多媒体信息化社会需求，迅速发展壮大。如今，世界电子器件市上，各种各样的DSP器件已相当丰富。大大小小封装形式的DSP器件，已广泛应用于各种产品的生产领域，而且DSP的应用领域仍在不断地扩大，发展迅速异常。

　　 一、数字化移动电话

　　数字化移动电话尽管花样繁杂，但基本上可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。其中，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、轮船和汽车等里自由通话的电话。虽然数字化高速移动通过标准很多，但当今普遍应用的是欧洲GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）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，叫作数字化大哥大，它具备国际漫游（Roaming）功能，SIMC（SubscriberIdentificationModuleCard）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，于是东芝笔记本电脑也安上了数字化的大哥大。

　　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，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，可以距母机为百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通过话；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。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很多。例如，欧洲较为普遍应用的DECI（DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion），日本、南韩东南亚应用的PHS（PersonalHandy－phoneSystem）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，我国的DCCT由于缺乏关键性的DSP技术仍处于设计阶段。

　　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器，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。

　　 二、数据调制解调器

　　从所周知，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，日益受到重视。特别是近年来Internet热潮，方兴未艾，普通百姓在Inter?net上冲浪蔚然成风。利用PC机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机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，这样一来将需要更高功能的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像V．17（14．4Kbps）再也没有用武之地。事实上，刚刚相反，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。

　　 三、磁盘／光盘控制器需求

　　随着多媒体信息化的发展，各种信息存储媒体产品都应运而生，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM新产品纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量已高在1GB以上，详见照片4。小型HDD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特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。

　　日本的HDD技术不能超过美国，于是把主攻方向集中到光盘技术，在1996年日本第35届ElectronicsShow＇96上，终于把DVD－ROM产品公布于众。而且，日本并不以此为满足，志在夺取可擦写的DVD－RAM。仅就DVD－ROM而论，单面1片12cm盘片记录4．7GB信息量，相当于直径12cm的软盘FD片3200张之多，比CD－ROM存储容量高出6倍。如此高密度的DVD－ROM，读出控制的精细程度可想而知。

　　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，都是采数字伺服与系统控制技术。这是现在控制技术，建立在数学模型基础之上。通过复杂的矩阵运算实现控制。没有高速运算的DSP，是绝对不行的。

　　 四、图形图像处理需求

　　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应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，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。新的算法出现，要求相应的高性能DSP。最近，日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统，投入相当力量，利用现代计算机图像学CG生成3维图形，迫切需要多个DSP并行处理系统。其中，系统里的结点DSP单元，要求采用与并行处理相适应的体系结构。

　　彩色静止图像压缩／解压，现在普遍应用JPEG标准，其核心算法也是离散余弦变换。JPEG编码／译码器的应用，除了数字化照像机之外，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的用量，必将日益增长。

　　 五、汽车电子系统及其它应用领域

　　汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。如今，汽车愈来愈多，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。

　　应用DSP的领域可以说是不胜枚举，电视会议系统里，也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展，将会出现许许多多的DSP新应用领域。

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