數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。 　　數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進(jìn)行測量或濾波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。 　　數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。

編輯本段概況

　　數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號處理在理論上的發(fā)展推動了數(shù)字信號處理應(yīng)用的發(fā)展。反過來，數(shù)字信號處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號處理理論的提高。而數(shù)字信號處理的實現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。 　　數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號處理密不可分�？梢哉f，數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

編輯本段歷史

　　世界上第一個單片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的S2811，1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP芯片。

編輯本段現(xiàn)狀

　　在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進(jìn)型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場份額占全世界份額近50％。

編輯本段特點

　　考慮一個數(shù)字信號處理的實例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）。用數(shù)學(xué)語言來說，FIR濾波器是做一系列的點積。取一個輸入量和一個序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個輸出樣本。 　　類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

1、對密集的乘法運算的支持

　　GPP不是設(shè)計來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出。 　　同時，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2、存儲器結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個存儲器空間通過一組總線（一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。 　　大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進(jìn)行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令。 　　還有一個問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存，一個是數(shù)據(jù)，一個是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。 　　GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問。在使用DSP時，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中。程序員在寫程序時，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。 　　此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。

3、零開銷循環(huán)

　　如果了解到DSP算法的一個共同的特點，即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1。 　　與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報硬件，幾乎達(dá)到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

4、定點計算

　　大多數(shù)DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應(yīng)該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應(yīng)的浮點機器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點機器而又保證數(shù)字的準(zhǔn)確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。

5、專門的尋址方式

　　DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽?/span>FFT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實現(xiàn)。

6、執(zhí)行時間的預(yù)測

　　大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴(yán)格的實時應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成。這就要求程序員準(zhǔn)確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時間。 　　如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務(wù)，執(zhí)行時間的預(yù)測大概不會成為什么問題，應(yīng)為低成本GPP具有相對直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測執(zhí)行時間。然而，大多數(shù)實時DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。 　　這時候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取。DSP一般不使用動態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當(dāng)?shù)摹�從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7、定點DSP指令集

　　定點DSP指令集是按兩個目標(biāo)來設(shè)計的： 　　·使處理器能夠在每個指令周期內(nèi)完成多個操作，從而提高每個指令周期的計算效率。 　　·將存貯DSP程序的存儲器空間減到最�。ㄓ捎诖鎯ζ鲗φ麄�系統(tǒng)的成本影響甚大，該問題在對成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）。 　　為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個指令內(nèi)說明若干個并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時的一個或兩個數(shù)據(jù)移動。在典型的例子里，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價是，其指令集既不直觀，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。 　　GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因為他們一般使用象C或C++等高級語言。而對于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(yōu)化的）。這里有兩個理由：首先，大多數(shù)廣泛使用的高級語言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次，DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如多存儲器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等，使得難于為其編寫高效率的編譯器。 　　即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計算的要求，并有嚴(yán)格的開銷限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對程序的最關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員。

8、開發(fā)工具的要求

　　因為DSP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具，以準(zhǔn)確地仿真每個指令周期內(nèi)處理器的活動。無論對于確保實時操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。 　　GPP廠商通常并不提供這樣的工具，主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細(xì)到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具，是DSP應(yīng)用開發(fā)者所面臨的的大問題：由于幾乎不可能預(yù)測高性能GPP對于給定任務(wù)所需要的周期數(shù)，從而無法說明如何去改善代碼的性能。[1]

編輯本段應(yīng)用

　　現(xiàn)代社會對數(shù)據(jù)通信需求正向多樣化、個人化方向發(fā)展。而無線數(shù)據(jù)通信作為向社會公眾迅速、準(zhǔn)確、安全、靈活、高效地提供數(shù)據(jù)交流的有力手段，其市場需求也日益迫切。正是在這種情況下，3G、4G通信才會不斷地被推出，但是無論是3G還是4G，未來通信都將離不開DSP技術(shù)（數(shù)字信號處理器)，DSP作為一種功能強大的特種微處理器,主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)、語音、視像信號的高速數(shù)學(xué)運算和實時處理方面，可以說DSP將在未來通信領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。 　　為了確保未來的通信能在各種環(huán)境下自由高效地工作，這就要求組成未來通信的DSP要具有非常高的處理信號的運算速度，才能實現(xiàn)各種繁雜的計算、解壓縮和編譯碼。而目前DSP按照功能的側(cè)重點不一樣，可以分為定點DSP和浮點DSP，定點DSP以成本低見長，浮點DSP以速度快見長。如果單一地使用一種類型的DSP，未來通信的潛能就不能得到最大程度的發(fā)揮。為了能將定點與浮點的優(yōu)勢集于一身，突破DSP技術(shù)上的瓶頸，人們又推出了一種高級多重處理結(jié)構(gòu)--VLIW結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在不提高時鐘速度的情況下，實現(xiàn)很強的數(shù)字信號處理能力，而且它能同時具備定點DSP和浮點DSP所有的優(yōu)點。為了能推出一系列更高檔的新技術(shù)平臺，人們又開始注重DSP的內(nèi)核技術(shù)的開發(fā)，因為DSP的內(nèi)核就相當(dāng)于計算機的CPU一樣，被譽為DSP的心臟，大量的算法和操作都得通過它來完成，因此該內(nèi)核結(jié)構(gòu)的質(zhì)量如何，將會直接影響整個DSP芯片的性能、 功耗和成本。 　　考慮到未來無線訪問Internet因特網(wǎng)和開展多媒體業(yè)務(wù)的需要，現(xiàn)在美國的Sun公司又開始準(zhǔn)備準(zhǔn)將該公司的拳頭產(chǎn)品--PersonalJava語言嵌入到DSP中，以便能進(jìn)一步提高DSP在處理信號方面的自動化程度和智能化程度。當(dāng)然，在以前DSP中也潛入了其他軟件語言，例如高級C語言，但這種語言在處理網(wǎng)絡(luò)資源以及多媒體信息方面無能為力；而PersonalJava是一種適合個人網(wǎng)絡(luò)連接和應(yīng)用的Java環(huán)境，基于該環(huán)境的個人通信系統(tǒng)可以從網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)上下載數(shù)據(jù)和圖像。此外，人們還在研究開發(fā)符合MPEG-4無線解壓縮標(biāo)準(zhǔn)DSP，該壓縮標(biāo)準(zhǔn)將為未來通信傳輸各種多媒體信息提供了依據(jù)。 　　作為一個案例研究，我們來考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡單地說，濾波就是對信號進(jìn)行處理，以改善其特性。例如，濾波可以從信號里清除噪聲或靜電干擾，從而改善其信噪比。為什么要用微處理器，而不是模擬器件來對信號做濾波呢？我們來看看其優(yōu)越性： 　　模擬濾波器（或者更一般地說，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。 　　數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進(jìn)行復(fù)制，因為其性能并不取決于性能已偏離正常值的器件的組合。 　　一個模擬濾波器一旦制造出來，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來實現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性。

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