數字信號處理器在通信系統中的應用探析

曹璐

摘 要：數字信號處理器（DSP）是為處理運算數字信號而研究開發的一種芯片，因其功能強大、靈活性強、開放性高、可靠穩定，廣泛應用于通信系統領域，在以太網通信、音視頻壓縮編碼、軟件無線電、擴頻通信系統等方面得到了廣泛的應用，集成自動化控制等技術，還能夠實現控制與通信雙重功能，是一種應用前景極為廣闊的技術。

關鍵詞：數字信號處理器；通信系統；應用

數字信號處理器（DSP）是為處理運算數字信號而研究開發的一種芯片，內部結構特殊，指令系統強大，運算速度快、數據流量大，對于通信系統質量的提高有著重要作用，能夠處理運算復雜的信號，并將信號轉換為簡單信號。DSP靈活性強，更新簡單，一般只需要升級軟件即可，硬件也能與不同軟件搭配，從而發揮不同功能，因此DSP被廣泛應用于各個領域，在通信系統中與各種技術相結合，使通信方式多樣、靈活、穩定、可靠。

1 DSP在通信系統中的應用

1、網絡通信系統

DSP嵌入TCP/IP協議棧后，就能夠使網絡控制芯片和接口連接，進而完成網絡數據通信。以DSP為基礎設計的網絡通信系統，主要是由網絡控制器連接DSP與網絡，從而使數據通信傳輸更為高速。這一通信系統硬件主要由DSP芯片以及網絡控制器構成。DSP會對以太網的控制芯片中的所有寄存器發揮編程控制功能，并分組傳輸并接收數據。在協議棧的使用上，由于嵌入式系統存在一定的局限性、資源的有限性、功能的單一性、較高的針對性等，因此并不需要8位及16位系統也能夠完成數據通信，因此，可以采用低于6位或者16位的協議棧，如uIP，能夠實現操作簡單性、資源占用率低等優點。通過協議棧傳輸和接收數據，以DSP為基礎的嵌入式系統就能夠從局域網接入高速網中，就能夠在多套網絡設備中進行通信。隨著DSP芯片技術的不斷提高，信號處理能力也在不斷提高，遠程視頻網絡通信技術也能夠在DSP系統的基礎上得以實現。硬件上集合PC機、網絡控制器芯片及接口，軟件上以DSP/BIOS嵌入式操作系統、網絡開發包、TCP/IP協議棧為主體，結合相應的視頻壓縮編碼算法，數據信號會在數據層、傳輸層和應用層上進行傳輸。DSP作為視頻服務器，完成視頻采集、壓縮處理，PC機則通過視頻解碼播放工具，完成實時監控、遠程監控通信。

2、語音壓縮編碼

語音數據壓縮能夠通過較低的傳輸速率獲得較高質量語音效果，語音信號在盡可能不降低信號質量的前提下，能夠實現窄寬帶的信息傳輸。使用參數編碼方式時，根據語音發生機理，提取語音信號各種特征參數后再編碼，能夠有效降低編碼速率，效果以合成語音形式呈現，但質量較差。波形編碼則適應力更強、語音質量更好，缺點在于編碼效率較低。隨著語音編碼技術的不斷突破，各種低碼率編碼標準出現，結合參數編碼及波形編碼兩種方式，合成混合編碼，就能夠實現高語音質量和低編碼率的雙重優勢，以線性預測及碼激勵強行性預測兩種編碼為主要代表。語音處理使用的編碼算法越復雜，壓縮倍率也就越高，DSP能夠快速、經濟地完成高質量壓縮，處理后的合成語音能夠用于網絡會議以及監控系統等各種重要場合。DSP廣泛應用語音壓縮編碼算法，提高了語音編碼技術的簡單性與可靠性。

3、軟件無線電

軟件無線電作為一種新型無線通信技術，是通過一個標準化、通用化及模式化硬件平臺，結合軟件編程完成無線電的相關功能，能夠使無線電技術擺脫硬件為依托、用途為導向的電臺設計工作，是一種功能軟件化技術，在設計過程中不需要使用太多硬件電路，能夠有效節約模擬環節。尋找最接近射頻天線的位置進行數字化處理，采取A/D和D/A兩種模式通用、開放性強的硬件平臺，依托平臺運作軟件技術，就能夠集成各種電臺功能模式，軟件升級的過程就是通信系統升級過程。DSP在這一系統中，通過高低速雙DSP實現信號的低速或高速處理。軟件無線電在工作時，信號在射頻或者中頻段就會作數字化處理，運用軟件實現寬帶數字濾波、數字視頻直接合成、數字下變頻、調制解調、編碼、指令控制、信道編碼以及加密解密等功能。接收過程中，會對天線信號進行無線電視頻處理及轉換，A/D寬帶對這些信號進行數字化處理，再由DSP對各種信號進行處理，得到需要的數據后，就能夠通過天線將數據傳輸到終端設備中。DSP硬件平臺以及算法是軟件無線電技術的關鍵，直接決定了軟件無線電的靈活度、開放度以及兼容度。DSP對電臺數據進行調制解調以及編碼解碼等，電臺內部包含大量數據，需要做濾波以及變頻等各種運算，因此對于DSP的技術要求較高，需要處理器具備高速、實時以及并行等特點的模式，或者使用專用的集成電路完成運算。不斷提高硬件運行速度的同時還要擴大芯片容量，針對處理器對算法進行優化與改進，硬件、軟件結合才能使數字信號處理不斷提高，確保電臺內各軟件能夠高速運行，功能切換更為靈活。軟件構成一般由DSP可編程處理器以及現場可編程門陣列處理數字信號。軟件無線電技術有極大的優勢，在第三代移動通信技術中得到了廣泛應用。隨著4G技術的到來，軟件無線技術已經成為4G技術發展的橋梁。軟件無線電適用性廣，對于技術開發風險的降低有著極好的作用，其開放性也更能兼容多個運營商。DSP對于RF技術的不足有著極好的彌補作用，從而提高技術靈活性。由于軟件無線電系統的通用性、兼容性、模塊化、在線高速等優勢，也逐步運用于軍事領域，對于多軍種通信的暢通性有著極大的優勢。

4、擴頻通信系統

擴頻通信系統即將需要傳輸的信息頻譜，使用特寫的函數進行擴展后，使信號頻譜轉變為寬頻帶，再傳到信道中，并向接收端傳輸，接收端會采取措施壓縮信號，完成信息傳輸的通信系統。這一技術的擴展之處在于信息相同時，使用的射頻帶寬要高于普通調制所需帶寬。擴頻信號的決定性因素并非帶寬，而是擴頻函數。這一系統通過DSP芯片就能夠完成，這一系統有兩種形式：直擴系統與跳頻系統，兩種形式都是以DSP芯片為基礎構成，視頻發射后，DSP芯片就能夠實現偽隨機碼發生器、信息編碼以及PSK調制的功能，發射系統和接收系統使用同樣的仿隨機碼發生器，而PSK調制與信道編碼則是相對應的。跳頻系統以集成了偽隨機碼發生器、信道編碼與PSK調制功能的DSP芯片為基礎，偽隨機碼發生器能夠通過頻率合成器發出跳變頻率，信道編碼能夠使用多種編碼，如RS碼、Turbo碼以及卷積碼等，以卷積碼利用率最高，交織使用其他編碼，能夠降低編碼出錯率。接收系統與發射系統在構成上相似度很高，添加同步電路，就能夠和發射系統偽隨機碼實現同步性，進而通過頻率合成器生成和發射系統同步又一致的載波，經過DSP芯片集成的功能通過PSK調制為信道譯碼后完成數據的輸出。

2 結語

DSP具有各種顯著的優點，對于現代通信系統的發展起到了重要作用。當前，DSP技術、微控制器、通信系統相結合，已經成為DSP應用的一個重要發展方向，如集成了控制和通信功能的電成像測井儀、船舶機艙自動化系統等的出現，對DSP應用的深入發展指明了方向。此外，雙DSP、多DSP的應用技術也在不斷出現。以DSP為內核，結合各種邏輯及存儲器，就能夠設計出多樣的DSP方案，實現各種功能。

參考文獻

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