物联网技术讲解：DSP数字信号处理技术

DSP 即数字信号处理技术， DSP 芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP 芯片是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料。DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。在当今的数字化时代背景下， DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。

DSP 芯片的诞生是时代所需。20 世纪 60 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在 DSP 芯片出现之前数字信号处理只能依靠微处理器来完成。由于微处理器的处理速度不快，无法满足大信息量的高速实时要求。因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求。

上世纪 70 年代， DSP 芯片的理论和算法基础已成熟。但那时的 DSP 仅仅停留在教科书上，即使是研制出来的 DSP 系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。

1978 年， AMI 公司发布世界上第一个单片 DSP 芯片 S2811，但没有现代 DSP 芯片所必须有的硬件乘法器；

1979 年， 美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑，但其依然没有硬件乘法器；

1980 年，日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片，从而被认为是第一块单片 DSP 器件。

DSP 芯片的诞生过程

1982 年世界上诞生了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品。这种 DSP 器件采用微米工艺 NMOS 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比微处理器快了几十倍。DSP 芯片的问世是个里程碑，它标志着 DSP 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至 80 年代中期，随着 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。

80 年代后期，第三代 DSP 芯片问世。运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域；

90 年代 DSP 发展最快，相继出现了第四代和第五代 DSP 芯片。第五代与第四代相比系统集成度更高，将 DSP 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。

进入 21 世纪后，第六代 DSP 芯片横空出世。第六代芯片在性能上全面碾压第五代芯片，同时基于不同的商业目的发展出了诸多个性化的分支，并开始逐渐拓展新的领域。

DSP 芯片的应用领域

DSP 芯片强调数字信号处理的实时性。DSP 作为数字信号处理器将模拟信号转换成数字信号，用于专用处理器的高速实时处理。它具有高速，灵活，可编程，低功耗的界面功能，在图形图像处理，语音处理，信号处理等通信领域起到越来越重要的作用。

DSP 芯片在市场上的应用情况

应用 DSP 的领域较多， 未来新应用领域有望层出不穷。根据美国的权威资讯公司统计，目前 DSP 芯片在市场上应用最多的是通信领域， 占 56.1％；其次是计算机领域，占 21.16％；消费电子和自动控制占 10.69％；军事／航空占 4.59％；仪器仪表占 3.5％；工业控制占 3.31％；办公自动化占 0.65％。

DSP 芯片的应用领域

1）多媒体通信领域

媒体数据传输产生的信息量是巨大的，多媒体网络终端在整个过程中需要对获取的信息量进行快速分析和处理，因此 DSP 被运用在语音编码，图像压缩和减少语音通信上。如今 DSP对于语音解码计算产生实时效果，设计协议要求已经成为最基本的一条国际标准。

2）工业控制领域

在工业控制领域，工业机器人被广泛应用，对机器人控制系统的性能要求也越来越高。机器人控制系统重中之重就是实时性，在完成一个动作的同时会产生较多的数据和计算处理，这里可以采用高性能的DSP。DSP通过应用到机器人的控制系统后，充分利用自身的实时计算速度特性，使得机器人系统可以快速处理问题，随着不断提高 DSP 数字信号芯片速度，在系统中容易构成并行处理网络，大大提高控制系统的性能，使得机器人系统得到更为广泛的发展。

3）仪器仪表领域

仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标，使用 DSP 芯片开发产品可使这两项指标大大提高。例如 TI 公司的TMS320F2810具有高效的 32 位 CPU 内核，12 位 A/D 转换器，丰富的片上存储器和灵活的指挥系统，为高精密仪器搭建了广阔的平台。高精密仪器现在已经发展成为 DSP 的一个重要应用，正处于快速传播时期，将推动产业的技术创新。

4）汽车安全与无人驾驶领域

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。

5）军事领域

DSP功耗低、体积小、实时性反应速度都是武器装备中特别需要的。如机载空空导弹，在有限的体积内装有红外探测仪和相应的 DSP 信号处理器等部分，完成目标的自动锁定与跟踪。先进战斗机上装备的目视瞄准器和步兵个人携带的头盔式微光仪，需用DSP技术完成图像的滤波与增强，智能化目标搜索捕获。DSP技术还用于自动火炮控制、巡航导弹、预警飞机、相控阵天线等雷达数字信号处理中。

6）民用信息领域

DSP 芯片支持通信、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 涵盖从基础设施到宽带入户设备， 包括 IP 网关和 IP 电话和电缆调制解调器等。随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及 DSP 对数字信号高速运算与同步处理能力的提高， DSP 的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域，从而应用领域横跨 3C，且分布将日趋均衡。

DSP 芯片在智能手机中扮演重要角色。DSP 芯片可以为移动电话带来更好的语音、音频、图像体验，可以极大提升手机单项功能的能力，让手机运行速度更快。由于 DSP 具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话迅速崛起，并创造了一批诸如 GSM、 CDMA 等全数字蜂窝电话网。同时 DSP 芯片是移动电话等电子产品更新换代的重要决定因素。工信部数据显示，截至2020年10月末，

高端市场被国外公司垄断

目前，世界上DSP芯片制造商主要有3家：德州仪器（TI）、模拟器件公司（ADI）和摩托罗拉（Motorola） 公司，其中 TI 公司独占鳌头，占据绝大部分的国际市场份额，ADI 和摩托罗拉公司也有一定市场。

德州仪器公司（TI）是 DSP 业界公认的龙头老大， 公司在 1982 年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的 DSP 系列处理器。

TI 的三大主力 DSP 产品系列为 C2000 系列主要用于数字控制系统，所占市场份额较小；C5000（C54x、 C55x）系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品；C6000 系列主要用于高性能复杂的通信系统。C5000 系列中的 TMS320C54x 系列 DSP 芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域。

C6000 系列主打产品为：C6000 DSP+ARM 处理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7)；C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)

C5000 系列主打产品为：C55x 超低功耗 DSP，为超低功耗的紧凑型嵌入式产品提供高效的信号处理。

TI 公司的 DSP 产品主要应用范围在机器视觉、航空电子和国防、尺寸、重量和功耗（SWAP）、音频、视频编码 / 解码与生物识别领域。

ADI 公司有六款主打产品，分别应用在语音处理、图像处理、过程控制、测控与测量等领域。

摩托罗拉公司也是全球较大的DSP芯片生产商，其产品包括定点的和浮点的，专用的和通用的，16位和24位以及32位。DSP芯片主要应用于语音处理、通信、数字相机、多媒体、控制等领域。主打产品有DSP56000系列、DSP56800系列、DSP56800E系列、MSC8100系列、DSP56300系列等。

未来发展与更新

1）DSP芯核集成度越来越高

缩小DSP芯片尺寸一直是DSP技术的发展趋势，当前使用较多的是基于RISC结构，随着新工艺技术的引入，越来越多的制造商开始改进DSP芯核，并且把多个DSP芯核、MPU芯核以及外围的电路单元集成在一个芯片上，实现DSP系统级的集成电路。

2）可编程 DSP 芯片将是未来主导产品

随着个性化发展的需要，DSP的可编程化为生产厂商提供了更多灵活性，满足厂家在同一个DSP芯片上开发出更多不同型号特征的系列产品。例如冰箱、洗衣机，这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程DSP来进行大功率电机控制。

3）定点DSP占据主流

目前，市场上所销售的DSP器件中，占据主流产品的依然是16 位的定点可编程DSP器件，随着DSP定点运算器件成本的不断低，能耗越来越小的优势日渐明显，未来定点DSP芯片仍将是市场的主角。

告别无“芯”之痛， 国产DSP获突破

2006 年，国务院颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 年 -2020 年）》，“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”（简称“核高基重大专项”）位列 16 个科技重大专项首位，也被称之为“01 专项”。

专项的实施极大地提升了我国集成电路产业的发展速度。截至2020年，中国集成电路市场规模增至1434亿美元，较2019年的1313亿美元增长9％，占近 60%的全球市场份额。国内对DSP方面的研究起步较晚，但是发展较快。中电科14所承担起研发DSP芯片的任务。

华睿芯片

10 年磨一剑， 14 所跟龙芯公司、清华大学合作开发国产DSP芯片“华睿 1 号”在 2012 年通过“核高基”专项组验收。华睿 1 号成功应用于14所十多型雷达产品中，创造了国产多核DSP芯片产品应用的“三个之最”：雷达装备应用型号最多、单台套应用数量最多和总应用数量最多。华睿 2 号在2018年5月顺利通过“核高基”课题验收，已进入全面应用阶段。下一步，14所计划将在华睿 3 号上采用更为先进的制造工艺，进一步提高主频， 提高通用性能， 在专用性能方面采用流处理器方式，提高专用计算的性能，同时降低功耗。

“华睿 1 号”代表国内DSP芯片工艺最高水平。在处理系统设计方面采用了DSP和CPU多核架构设计技术，实测表明， “华睿 1 号”的处理能力和能耗具有明显优势，运行多任务实时操作系统十分稳定，芯片的整体技术指标达到或优于国际同类产品水平。华睿1号填补了我国在多核DSP领域的空白，对提高我国高端芯片的自主研发能力、提升我国电子整机装备研制水平、保障国家信息安全等方面具有重大意义与影响。

魂芯1 号

魂芯 1 号是由中国电子科技集团第38所吴曼青团队研制成功的，2012年完成测试。魂芯一号（BWDSP100） 是一款32位静态超标量处理器， 属于DSP第二发展阶段的产品。该芯片基于 55nm 制作工艺实现的，具有完全自主知识主权。

魂芯1号达到国际主流DSP芯片水平，与美国模拟器件公司（ADI）TS201芯片性能相近。TS201是ADI公司的一款主流DSP芯片，它集成了定点和浮点计算功能的高速DSP。该处理器广泛应用于视频、通信市场和国防军事装备中，适合于大数据量实时处理的应用领域。

魂芯 1 号是一款高性能通用 DSP，可广泛应用于各类高性能信号处理领域， 典型的整机装备应用包括雷达、声纳、电子对抗等。

魂芯 2 号 A 刚刚发布， 单核性能超过当前国际同类芯片性能 4 倍。2018 年 4 月 23 日， 中国电科 38 所发布了“魂芯2-A”， 该芯片采用全自主体系架构，研发历时 6 年， 相对于魂芯 1 号，魂芯 2 号 A 性能提升了 6 倍，通过单核变多核、扩展运算部件、升级指令系统等手段，使器件性能千亿次浮点运算同时，具有相对良好的应用环境和调试手段；单核实现 1024 浮点 FFT （快速傅里叶变换）运算仅需 1.6 微秒，运算效能比德州仪器公司 TMS320C6678 高 3 倍，实际性能为其 1.7 倍，器件数据吞吐率达每秒 240Gb。

数字信号处理（DSP）

DSP分为通用DSP及专用DSP两种。

通用DSP的结构和电脑很相似，也是控制器+运算器+存储器结构，但有两点重要的不同：

(1) 运算器做专门的设计，适应某一类型数字信号处理的特别需求；

(2) 程序存储器和数据存储器分开，而不是像（目前的）电脑那样程序和数据共用存储器。这样程序存储器和数据存储器可以分别设计，比如采用不同的字长，以适应数字信号处理器的“控制程序相对简单而数据量巨大”的特点。

通用DSP相对于专用DSP来说，长处是灵活性强，只要重新编写软件，即可以实现不同的功能，有利于用户今后的升级；

短处是对于某一个应用来说，总有相当一部分的硬件及软件是“多余”的，如果要达到相当于专用DSP的处理速度，势必导致体积增大，成本上升，耗电量增加。

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