數字信號處理技術研究應用現狀與發展趨勢

陳頌韶

(廣東理工學院 廣東肇慶 526100)

隨著全球政治、經濟格局的轉變，一種新型國際關系逐漸形成，我國科技創新發展進入了新的歷史發展階段[1]?？v觀中美貿易戰、日韓半導體貿易戰，充分彰顯了新型國際關系下的大國博弈聚焦科技競爭的整體態勢，也再次印證了“科技才是引領未來行業發展的驅動力，國家發展的支撐力”[2]。黨的十九屆五中全會[3]、2020年中央經濟工作會議[4]明確提出“‘十四五’時期，集中力量打好關鍵核心技術攻堅戰，在戰略必爭領域實現自主可控”；打好關鍵核心技術攻堅戰，需要“強化企業創新主體地位，促進各類創新要素向企業集聚”等重要指示。數字信號處理(Digital Signal Process，DSP)作為數字信號核心組成，在數字信號處理領域應用愈加廣泛。DSP技術可通過模擬信號轉換成數字信號，實現處理器的實時、高速工作，具有可編程、高速靈活、低功耗等特點，是是數字經濟時代的重要工具。

1 DSP技術發展歷程

DSP技術起源于美國，早在20世紀50年代就由美國科學家杰克·基爾比(Jack Kilby)率先提出，該技術的誕生主要是為了促進半導體集成電路的工作能效。60年代，杰克·基爾比半導體集成電路技術被Intel公司創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)采納，并在此基礎上通過大量實驗提出了摩爾定律，即：CPU集成電路中集成的晶體管數目，大約每2年翻1倍，而CPU性能也將提升一倍。該理論的提出，使得DSP技術發展進入全新階段。1978年，美國AMI成功研發了世界上首個單片DSP芯片(S2811)。1979年Intel公司發布的可編程器件2920，一時間DSP成為半導體領域核心技術，而美國成為這一領域的霸主國[5]。直到20世紀80年代，才被努力戰后恢復、加速科技發展的日本打破。1980年日本NEC公司推出具有硬件乘法器功能的單片DSP設備(D7720)。此后，在CMOS技術的發展帶動下，1982年美國德州儀器公司TI完成了DSP芯片成功研發，不久又推出了第3代DSP芯片，其應用范圍更為廣泛擴大。該技術的成功研發，奠定了90年代DSP的高速發展基調，TI公司相繼推出第4、5代DSP芯片，其中第5代DSP產品，采用VLSI(超大規模集成電路)技術，系統集成度更高、成本更低，運算速度更快。

2 DSP技術的主要應用

作為數字信號技術的核心組成，DSP廣泛應用于電力、數字通信、工業控制、虛擬儀器、汽車電子等領域，是現代科技發展不可或缺的關鍵技術之一。

2.1 數字通信應用

21世紀是多媒體時代，數據處理以及壓縮編碼算法的應用，實現了縮小數據占用空間，提高了數據傳輸效率，其核心就是多媒體終端信息快速處理，DSP為實時實現大部分國際標準語音編碼解碼算法功能，移動通信語音壓縮和調制解調功能以及中、低速移頻功能提供了保障。

2.2 工業、制造業應用

DSP工業、制造業應用主要體現在儀器儀表領域。DSP由于具有豐富的片內資源，可以極大地簡化硬件電路，實現儀器儀表的片上系統設計(System On Chip，即SOC)。特別是在測量速度和精度方面，DSP片上系統能有效提高準確度，縮短運算周期，為工業開發制造業設計提供快速、高精度儀器的平臺。

2.3 汽車電子系統應用

汽車已成為當代民眾生活的必備產品，在汽車制造中，DSP同樣發揮著不可或缺的作用。電子系統的安全性、可靠性是汽車整體性能的保障，也是世界汽車發展的關鍵。當前，汽車電子系統中普遍采用紅外線或毫米波雷達完成汽車外部環境探測，例如：汽車防撞探測、汽車導航、汽車自動泊車系統等。這一環節中需要大量的數據處理分析，DSP對圖像數據的準確處理功能，是實現汽車智能化的基礎。

2.4 海底探測應用

海洋開發是21世紀資源利用的重要方向，臨海國家均制定了相關的開發計劃，基于計劃形成了多種輔助研發，其中，水下探測、航行信息等具有較為重要的意義。由于海洋開發面臨較為復雜的環境因素，如噪聲、魚叫聲、海浪聲等，都與海底偵查密切相關，直接影響著海底探測，即使通過模擬電路放大有用信號，也很難做到準確了解海底環境。應用DSP技術，能夠清晰辨別機械類發動機發出的周期信號與海浪聲、魚叫聲等非周期信號，從而實現航行信息、探索信號的穩定及準確，并且根據所探測信號完成相關函數的相關處理運算，判斷信息避免“危機”等功能。

3 DSP技術特點

DSP之所以能夠被廣泛應用，總體歸結于其具有穩定的性能。DSP優越性能主要與其結構相關，DSP采用總線結構設計并綜合流水線技術操作，因而具有較好的靈活性、準確性，其運算速度也相對較快，可靠性強。在現代制造技術的推動下，DSP生產時間也呈現越來越短的發展趨勢。另一方面，DSP功耗大、系統復雜、應用的頻率范圍受到限制等，這些缺點也是DSP技術攻關的主要領域。

3.1 結構特點

當前DSP主要采用哈佛結構，該結構與傳統的馮諾依曼結構不同，其程序和數據采用獨立存儲空間設置，不存在存儲空間共享，其主要的傳輸也采用獨立地址、數據總線設定，極大地提升了DSP存儲器的尋址、獨立訪問、數據傳輸、指令調用等運行速度，除節省周期以外改設定可進一步提升DSP脫離總線后的運行速度，提高計算速度。

3.2 操作特點

DSP操作主要采用流水線技術，該技術可有效節省指令執行周期時間。由于DSP在整體運行中需要遵從讀取指令、指令解碼、取操作數等過程，需要較長周期，而流水線操作則可使DSP運行中多種指令操作同時進行，互不干擾，并且基于一定的連續工作效率。最為重要的是，DSP在進行一條或多條指令操作的過程中，執行周期內占用不同總線資源，確保DSP 處理器處理信號的精準度。

3.3 算法特點

DSP的運行需遵從一套特有算法，而基本上任何DSP器件內部都配備有專用的硬件乘法器，在運轉周期內DSP通過特有的乘法器和累加器快速完成操作數的乘法運算和累加運算，并通過“移位相加”原理實現數據信號的運算處理。因此，很大程度上人們衡量DSP芯片“好壞”的一個關鍵性因素就是運算處理器。

3.4 DSP的缺點

雖然DSP技術具有較多的優點，并在各個領域被廣泛應用，但鑒于當前技術的局限性，DSP技術也存在一定缺陷，例如：DSP處理信號受頻率范圍限制、受匯編語言限制，芯片成本高、軟件開發效率較低、功率消耗較大，系統中高頻時鐘信息會引起高頻干擾及電磁泄露問題的產生等局限，對于 DSP 處理一些信號信息任務帶來一定的影響。

4 DSP技術發展趨勢及啟示

隨著全球經濟、科技的發展以及新時代數字經濟的發展，DSP技術必然會在信息化建設應用方面深入推廣。當前，DSP憑借其自身的優點，已被廣泛應用于各個領域，尤其在電子、通信、控制、航空航天、醫學、軍事等領域發揮著不可或缺的重要作用。綜合來看當前科技發展趨勢強調“以人為本”“深度融合”等理念，不排除未來DSP 技術產品將向著家庭化、個人化趨勢延伸，同時鑒于服務領域延伸，DSP技術必然會在高度集成化、高性能、運行速度快、低功耗、簡單便攜等已有優勢、特性的基礎上進步一 提升。

①加強DSP 融合化發展。DSP 的多通道結構及單指令多重數據等內核結構作為其優勢基礎是支撐性能和應用的根本。在未來趨勢下，DSP與微處理器形成深度融合，既可以滿足數據處理，又可以增強智能性控制過程中單一的芯片處理器的多功能作業，降低功耗和整體系統成本費用是一個重要趨勢。

②提升DSP高性能化發展。電子產品競爭力的核心是高性能，而高性能也是所有電子產品發展的必然趨勢，現代市場經濟發展的主要需求。DSP作為高速度、高密度處理的電子產品代表，多核DSP和單核DSP技術相比，功耗更低，集成度也更高，更加準確，更加易于編程和調試。已有研究顯示，通過高性能嵌入式應用可有效提升DSP芯核集成，提高效率，同時如此改動可使DSP實現超高度集成，因此未來多核DSP是其重點發展方向，

③重視DSP人才培養。DSP作為現代尖端科技的代表產品，從設計到生產離不開人才培養及人力支撐，重視DSP專業人才培養也是促進該領域發展的重要方向。當前DSP涉及C語言、匯編語言等混合編程方法，以上方法很大程度上關乎DSP的靈活性能，就我國相關專業人才來看仍相對較少，且青年人才嚴重不足。因此，針對關鍵性技術應重視人才培養，豐富相關知識的科普方式，可通過課外興趣小組、競賽等形式提升青少年學習興趣[8]。