数字信号处理的发展与应用中国电子学会会士、北京大学教授余道衡Ξ(北京大学电子学系,北京100871)摘要:本文介绍了数字信号处理的发展历史、理论、技术和应用,也介绍了DSP的发展前景和国内情况。关键词:数字信号处理数字化产品一、数字信号处理的基础与优点数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)是利用专门或通用的数字信号芯片,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小等优点。DSP有硬件、算法和理论等三个基础支撑着它的发展和应用。硬件是指用VLSI(超大规模集成电路)实现的通用和专用芯片,目前许多芯片的运算速度已超过每秒几千万次,最高达到每秒16亿次,价格也大幅度降低。在通信、电视、雷达和各种消费电子产品方面应用的软件和算法非常丰富,例如,信源编码(压缩)和解码、信道编码和解码,信号的调制与解调、噪声对消、信号加密与解密,电机的自动控制和各类信号的分析等。知成体系的理论包括离散线性系统理论、离散和快速变换理论、数字滤波理论、信号检测理论、量化效应和误差理论、非线性谱估计理论以及小波变换理论等。数字信号处理与模拟信号处理相比,具有以下优点:·信号处理的动态范围大,有比模拟信号大30dB(几十倍)的动态范围,因面有更高的精度。·数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不产生其它噪声,具有更高的信噪比。·具有高度灵活性,能够快速处理、缓存和重组数据,可以时分多用、并行处理,还可以灵活地改变系统参量和工作方式,实现可编程处理。·具有极好的重现性、可靠性和预见性。·算法具有直接的可实现性。·可以对白噪声、非平干扰和多径干扰进行相应的最佳化处理。以上优势是DSP在各领域中广泛应用的重要保证。二、数字信号处理的发展历史数字信号处理技术的发展经历了三个阶段。70年代DSP是基于数字滤波和快速富立叶变换的经典数字信号处理,其系统由分立的小规模集成电路组成,或在通用计算机上编程来实现DSP处理功能,当时受到计算机速度和存储量的限制,一般只能脱机处理,主要在医疗电子、生物电子、应用地球物理等低频信号处理方面获得应用。80年代DSP有了快速发展,理论和技术进入到以快速富立叶变换(FFT)为主体的现代信号处理阶段,出现了有可编程能力的通用数字信号处理芯片,例如美国德州仪器公司(TI公司)的TMS32010芯片,在全世界推广应用,在雷达、语音通信、地震等领域获得应用,但芯片价格较贵,还不能进入消费领域应用。90年代DSP技术的飞速发展十分惊人,理论和技术发展到以非线性谱估计为代表的更先进的信号处理阶段,能够用高速的DSP处理技术提取更深层的信息,硬件采用更高速的DSP芯片,能实时地完成巨大的计算量,以TI公司推出的TMS320C6X芯片为例,片内有两个高速乘法器、6个加法器,能以200MHZ频率完成8段32位指令操作,每秒可以完成16亿次操作,并且利用成熟的微电子工艺批量生产,使单个芯片成本得以降低。并推出了C2X、C3X、C5X、C6X不同应用范围的系列,使新一代的DSP芯片在移动通信、数字电视和消费电子领域得到广泛应用,数字化的产品性能价格比得到很大提高,占有巨大的市场。63科技前沿与学术评论Ξ余道衡(YUDaoheng,1939.6～),男,浙江杭州人。1963年毕业于北京大学无线电电子学系,现为北京大学电子学系和现代通信研究所教授、博士生导师,是中国电子学会会士、美国IEEE高级会员、中国神经网络委员会委员、中国电子学会电路与系统分会委员、图论与系统优化专业委员会副主任、非线性电路与系统专业委员会副主任、中国航空学会信号与信息处理分会委员。在教学科研方面获国家级优秀教学成果二等奖一项,国家级科技进步三等奖一项、省部级奖三项,联合出版专著四部,发表学术论文一百多篇。世界科技研究与发展下表给出1982年、1992年和预计2002年DSP芯片的性能价格比较。1982年1992年2002年工艺线宽(μm)30.80.18速率(百万次操作/秒)5402000时钟频率(MHZ)2080500内存RAM(字)1441K1M内存ROM(字)1.5K4K2M功耗(mw/百万次操作)25012.50.1晶体管数50K500K5M价格(美元)150151.5此外,为了适应数字信号处理应用于各个领域的需要,各公司还发展了大量专用芯片,为DSP的广泛应用提供了硬件条件。三、数字信号处...
