数字信号处理器分析与实现

摘　要：本文首先对数字信号处理的概念以及数字信号处理器的实现原理进行简单的介绍，最后对DSP硬件结构分析，完成了对数字信号处理器实现与改进性思考。

关键词：数字信号；信号处理；DSP
1．数字信号处理的概念
　　数字信号处理是用数字计算机对离散信号或将模拟信号离散化后进行处理的现代信号处理技术，自身有其独特的计算方法和理论。数字信号处理是当前发展相当迅速的一种技术，无线通讯，多媒体技术，网络等都是基于数字信号处理算法的。
　　数字信号处理器(DSP)是为进行数字信号处理而设计的微处理器。数字信号处理器是同数字信号处理技术一同发展起来的。它针对数字信号处理的应用采用了专用的硬件设计结构。
　　微处理器的发展经历了单板计算机、单片计算机的历程，DSP则是一种高性能的片上微计算机系统。它除了利用大量的新技术、新结构来大幅度改善芯片性能外，还把内存、接口、外设、事件管理器等集成在一个芯片上，成为一个功能强大的片上系统（SOC）。DSP的产生和发展，得益于数字信号处理理论及计算机、电子技术的飞速进步。
2．数字信号处理器模拟的实现
　　计算机系统本身是一个非常复杂的系统，要使用软件来模拟每个晶体管或每个门电路各个方面的行为特征几乎是不可能的。人们简化系统复杂程度的常用办法是对系统按层次进行抽象，体系结构就是对计算机系统在结构层次上的简化。然而，体系结构层次上的计算机系统依然很复杂，开发其软件模拟器也因此而十分困难。通常的做法是，在已存在的模拟器基础上进行二次开发或改进，使其适应自己的要求。
　　在任何数字信号处理中，当涉及硬件实现时，都会遇到一个很普遍的问题：一般要处理的原始信号序列长度是非常长的，但受物理设备条件所限，每次(比如一个时钟周期内)输入给数字信号处理相关硬件(如DSP)的必定是有限长度的采样后的数字序列，也就是说要对原有长序列进行一次截断。显然，截断后的短序列相比于原有未截断的长序列的信号属性必然要发生变化。比如截取高斯白噪声的一段，其截断后的序列的均值和方差等统计特性相对于原有白噪声序列肯定会有变化。这种由于截断而引起的序列性能下降显然会导致后续的DSP等硬件设备中数字信号处理性能的下降。
3．DSP硬件结构分析
　　在当前信息化、数字化进程中，信号作为信息的传输和处理对象，逐渐由模拟信号变成数字信号。信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术之一就是数字信号处理。数字信号处理技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP作为一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，凭借其独特的硬件结构和出色的数字信号处理能力，广泛应用于通讯、语言识别、图像处理、自动控制等领域。
3.1 DSP的主要特点及其硬件要求
　　数字信号处理是指将模拟信号通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理、它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理算法具有如下一些主要的特点：信号处理算法运算量大，要求速度快；信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算；信号处理算法常具有某些特定模式；信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上；信号处理要求专门的接口。
　　从一开始，DSP的结构就是针对DSP算法模型进行构造的，几乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，数字信号处理的上述特点要求DSP必须是专门设计的。
3.2多总线，多处理单元结构
　　DSP芯片采用了哈佛结构，它分别设置程序存储和数据存储空间，使用专用的程序总线和地址总线。CPU可以同时访问程序和数据，大大提高了处理速度。所谓的改进哈佛结构，体现在如下几点：
　　1）允许数据存放在程序存储器中，并可以被算术指令直接使用。但程序和数据不能同时读取，多数访问存储器的指令需要两个执行周期。
　　2）将指令存储在高速缓存中，无须从数据/程序存储器读取，可以节约一个指令周期。
　　3）改进存储器块结构，允许在一个周期内同时读取一条指令和两个操作数。
　　使用两类（程序总线、数据总线）六组总线。包括程序地址总线、程序读总线、数据写地址总线、数据读地址总线、数据写总线、数据读总线。配合哈佛机构，大大提高了系统速度。
　　DSP内部一般都包括多个处理单元，如ALU、乘法器、辅助算术单元等。它们都可在单独的一个指令周期内执行完计算和操作任务，而且往往同时完成。这种结构特别适合于滤波器的设计，如FIR和IIR。这种多处理单元结构还表现为在将一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻转寻址和流水FIR滤波算法的循环寻址等。而且大部分DSP具有零消耗循环控制的专门硬件，使得处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。
3.4 DSP结构改进
　　过去的DSP结构设计主要是面向计算密集型的应用，而对控制密集型支持得不够。而现实应用中很多场合需要信号处理和精确控制的有效结合，如数字蜂窝电话，它要有监控和语言音处理的工作。现代的DSP将采用DSP／MCU的混合结构，在保证计算能力优先的前提下，通过快速的现场切换、多执行部件并行执行等方式，加强控制类操作的处理能力。将MCU核集成到DSP核中，或者从整体上对DSP进行重新设计，使之兼有DSP和MCU的功能。
　　另外，为解决速度、功耗、可编程之间的矛盾，我们提出了一种新型的计算方式，它结合了现有微处理器和DSP的时间计算方式以及ASIC、FPGA解决方案的空间计算方式。这种可重构DSP处理器的关键是它能同时进行时间和空间计算。它由一个计算元件互相连接的二维阵列构成，每个阵列都有各自的逻辑单元和本地寄存器。连接这些计算元件的可编程连线借以对阵列的数据流架构动态重构，从而可根据运行的具体任务而对其进行优化。
参考文献：
[1] 程佩青，数字信号处理教程，清华大学出版社，北京，2001
[2] 荆元利，DSP处理器系统结构研究，[学位论文]，西北工业大学,2002