信号与信息处理的发展历程1
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信号与信息处理的发展历程、应用领域以及发展趋势当今是信息时代,在科学研究、生产建设和工程实践中,信号处理技术,特别是数字信号处理技术的应用日益广泛,信息技术在当今社会的重要性日渐体现,作为一名电气信息类
的大学生,必须掌握信号与信息处理的基本原理和方法。
在掌握信号与信息处理的基本原理和方法之前,我们有必要先了解一下信号与信息处理的发展历程、应用领域以及发展趋势.
在此之前,我们先对几个名词加以解释。
信息:以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知识或消息。通俗的说,“信息”
指人们得到的“消息”,即原来不知道的知识。
信号:信息的具体表现形式,换句话说信息是信号包含的内容。
信号分析:通过解析方法或者测试方法找出不同信号的特征,从而了解其特性,掌握它随时间或频率变化的规律的过程。
信号处理:按某种需要或目的,对信号进行特定的加工、操作或修改。
信号处理发展历程
DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段:第一阶段,DSP意味着数字信号处理,并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟,DSP进入了发展的第二阶
段,在这个阶段,DSP代表数字信号处理器,这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生
了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段,这是一个赋能(enablement)的时期,我们将看到
DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”第一阶段,DSP意味着数字信号处
理。80年代开始了第二个阶段,DSP从概念走向了产品,TMS32010所实现的出色性能
和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到,新兴的DSP业务同时也承担着巨大的
风险,究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到
了适合于商用的低于10美元范围时,DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到
1991年,TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片,首次实现批量单价低于5
美元,但所能提供的性能却是其5至10倍。到90年代,多家公司跻身DSP领域与TI进
行市场竞争。TI首家提供可定制DSP——cDSP,cDSP 基于内核DSP的设计可使DSP
具有更高的系统集成度,大加速了产品的上市时间。同时,TI瞄准DSP电子市场上成长速
度最快的领域。到90年代中期,这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存
储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等,其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝
电话中的成功。这时,DSP业务也一跃成为TI最大的业务,这个阶段DSP每MIPS的价
格已降到10美分到1美元的范围。21世纪DSP发展进入第三个阶段,市场竞争更加激
烈,TI及时调整DSP发展战略全局规划,并以全面的产品规划和完善的解决方案,加之全
新的开发理念,深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定
为几个美分或更低。
信号处理的发展趋势
1、数字信号处理器的内核结构进一步改善,多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中将占主导地位,如Analog Devices的
ADSP-2116x。
2、DSP 和微处理器的融合:微处理器是低成本的,主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务,但是数字信号处理功能很差。而DSP的功能正好与之
相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能,如数字蜂窝电话就
需要监测和声音处理功能。因此,把DSP和微处理器结合起来,用单一芯片的处理器实现这两种功能,将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发,同时简化设计,减小PCB体积,降低功耗和整个系统的成本。例如,有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x,有协处理器功能的Massan公司FILU-200,把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI 公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP,都是DSP和MCU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。
3、DSP 和高档CPU的融合:大多数高档GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD 指令组的超标量结构,速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术,结构规范,利于编程,不用担心指令排队,使得性能大幅度提高。Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。
4、DSP 和SOC的融合:SOC(System-On-Chip)是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP 和系统接口软件等。比如Virata公司购买了LSI Logic公司的ZSP400处理器内核使用许可证,将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上,应用在xDSL上,得到了很好的经济效益。因此,SOC芯片近几年销售很好,由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。1999年,约39%的SOC产品应用于通讯系统。今后几年,SOC将以每年31%的平均速度增长,到2004年将达到13亿片。毋庸置疑,SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。
5、DSP 和FPGA的融合:FPGA是现场编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上,可实现宽带信号处理,大大提高信号处理速度。据报道,Xilinx 公司的Virtex-II FPGA 对快速傅立叶变换(FFT)的处理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供编程。Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核,它支持多路大数据流,以满足第三代(3G)WCDMA无线基站和手机的需要,同时大大WCDMA无线基站节省开发时间,使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。
信号与信息处理的应用领域
1.CDMA与扩展频谱通信
本研究方向的主要目标是通过理论与技术创新,在理论上重点研究新型时空信号处理方法、智能传输理论、多业务多速率传输方法及其在新一代移动通信系统中的应用,获得对未来移动通信发展具有战略意义的核心知识产权;研究开发新一代移动通信核心软件与芯片,为实现我国移动通信产业可持续发展提供技术支撑。
2.现代信号处理及其在移动通信中的应用
本研究方向的主要目标是针对新一代移动通信系统中所可能涉及的空中接口以及关键信号处理问题开展研究,重点解决多天线环境下的最优信号接收、干扰消除、系统同步、非线性干扰、盲信道估计与均衡、时空编码与分集、信号加密传输等问题,强化源头创新研究,与国外高水平大学、著名企业以及标准化组织密切合作,发表一批在国际上有较大影响的研究论文,并为制定新一代移动通信体制标准做出贡献,为发展我国移动通信产业抢占战略性的制高点。
3.移动通信网络与系统理论与应用
未来的移动通信网络将从传统的基于电路交换方式或窄带ISDN方式,向基于B-ISDN (ATM)或IP核心网络方式发展,所支持的业务将从简单的电话传输逐渐演变成为分组多媒体传输,且传输速率将提高至原来的数十倍到数百倍。随着Internet网络的普及,第三代移动通信系统的第二阶段将逐渐演变成为All-IP方式,其接入子系统和核心网络将会以Internet作为承载网络,且用户平面和控制平面将会以不同的功能实体加以分离。本研究方向将以移动通信为出发点,积极向宽带无线互连网络研究渗透,研究基于Internet的新一代移动通信网络和系统的理论及应用,并重点研究后三代和第四代移动通信体制结构及应用需