数字信号处理dsp论文____【浅谈DSP技术的应用和发展前景】

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浅谈DSP技术的应用和发展前景

数字信号处理论文

【摘要】数字信号处理(DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。本文概述了数字信号处理技术的发展过程,分析了DSP处理器在多个领域应用状况,介绍了DSP的最新发展,对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。

【关键词】信号数字信号处理信息技术

【Key words】Signal digital signal processing Information Technology

1引言

自从数字信号处理器(Digital Signal Processor)问世以来,由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点,已在图形、图像处理,语音、语言处理,通用信号处理,测量分析,通信等领域发挥越来越重要的作用。随着技术成本的降低,控制界已对此产生浓厚兴趣,已在不少场合得到成功应用。

2DSP技术的发展历程

DSP的发展大致分为三个阶段:

在数字信号处理技术发展的初期(二十世纪50-60年代),人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到70年代,有人才提出了DSP的理论和算法基础。一般认为,世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S281l。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。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。

随着大规模集成电路技术的发展,1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品,标志了实时数字信号处理领域的重大突破。Ti 公司之后不久相继推出了第二代和第三代DSP芯片。90年代DSP发展最快。Ti公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。

随着CMOS技术的进步与发展,日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片,1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns,且具有双内部总线,从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32.与其他公司相比,Motorola 公司在推出DSP芯片方面相对较晚。1986年,该公司推出了定点处理器

MC56001.1990年推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司(AD)在DSP芯片市场上也占有一定的份额,相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片。自1980年以来,DSP芯片得到了突飞猛进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从20世纪80年代初的400ns降低到10ns以下,处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区的40%左右下降到5%以下,片内RAM数量增加一个数量级以上。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加,如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。

3DSP技术在各领域的应用

3.1DSP技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用

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计算机进入电力系统调度后,引入了EMS/DMS/SCADA的概念,而电力系统数据采集和测量是SCADA的基础部分。传统的模拟量的采集和获得,通过变送器将一次PT和CT的电气量变为直流量,在进行A/D转换送给计算机。应用了交流采用技术以后,经过二次PT、CT的变换后,直接对每周波的多点采样值采用DSP处理算法进行计算,得到电压和电流的有效值和相角,免去了变送器环节。这不仅使得分布布置的分布式RTU很快地发展起来,而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。

3.2 3.2 DSP在变电站自动化的应用

变电站自动化元件较多,模拟量、开关量比较多而且比较分散,要求的实时性也较高,DSP能快速采集、精确处理各种信息,尤其在并行处理上可实现多机多任务操作,实用十分灵活、方便,片内诸多的接口为通讯及人机接口提供了容易的扩展,由于接口的多样化,使励磁、调速器及继电保护的挂网监控更容易。由于DSP集成度高,硬件设计方便,使设计起来更容易,而且增加了产品的可靠性,DSP在冗余设计上更容易,为水电站实现无人值班,少人值守的发展方向,提供了可靠的新技术。

3.3DSP在多媒体通信中的应用

多媒体包括文字、语言、图像、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据,儿数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的,只有采用先进的压缩编码算法对其进行压缩,节省储存空间,提高通信线路的传输效率,才能使高速的多媒体通信系统成为可能。多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息,并具有较强的交互性。因此,DSP在语音编码、图像压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。如今的DSP基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用DSP。现代DSP完全有能力实现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。

3.4DSP在软件无线电的应用

软件无线电是一种新的无线通信技术,是基于同一硬件平台上、安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台,他可进一步扩展至有线领域。随着DSP技术的发展和应用的成熟,特别是低功耗DSP芯片的出现,使软件无线电的应用研究成为热点。软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化和互操作性好等一系列优点。其体系结构有电源、天线、多带射频转换器和A/D/A变换器与DSP组成。信号的数字化是实现软件无线电的先决条件。关键步骤是以可编程能力强的DSP来代替专用的数字电路,使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于一个相对通用的硬件平台,通过软件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式和新品编码等进行编程控制,系统的灵活性大大加强了。

3.5DSP在机器人控制中的应用

目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也对机器人控制系统的性能提出了更高的要求。随着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高,采用高速、高性能的DSP将成为主要的控制方式。将DSP应用于机器人的控制系统,充分利用DSP实时运算速度快的特点,这是当前发展的趋势。尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高,并易于构成并行处理网络,可大大提高控系统的性能。

4DSP技术的发展趋势

未来DSP技术将向以下几个方面继续发展:

4.1 努力向系统级集成DSP迈进,将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上,成为DSP系统级集成电路。

4.2 DSP的内核结构进一步改善。多通道结构和单指令多重数据、超长指令字结构、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的哈佛结构在新的高性能处理器中将占据主导地位。