数字信号处理的发展与应用.pdf

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(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(Digital Signal Processing,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 余道衡(YU Daoheng,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(m)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、数字信号处理的应用下面介绍几类DSP应用产品:11 全数字电视1983年德国ITT公司推出了一套2000系列芯片,对模拟电视和视频信号进行数字化处理,这类电视机当时定义为“数字电视机”,1993年又推出了3000系列芯片,性能有所改进,但这类电视机的高频、中频通道及接收的信号仍是传统的模拟信号,仍应属于模拟电视机。1990年美国GI公司为研制高清晰度电视(HDTV),提出了信源的视频信号和伴音信号用数字压缩编码,传输信道用调制和纠错技术,此后出现了“全数字电视”。这种概念和技术逐步完善,已得到世界各国的认同,并形成了MPEG-2的世界标准,各国都在开发这种全数字电视机。为方便称呼,简称为“数字电视机”,虽名称相同,但它的含义与早期定义的“数字电视”有本质不同。市场上出现的画中画,画外画等数字处理电视机,仍属于模拟电视机,不可与全数字化电视混用。全数字化电视包括三大部分:数字化演播室设备。电视台内部信号变换全是数字化的“比特”数据流,包括数字字幕机、数字录相机、数字化编辑机等。数字化传输设备。包括数字化的地面电视发射广播设备,目前有两种制式:美国的残留边带(VSB)调制方式和欧洲的编码正交频分多路(COFDM)调制方式。也包括有线电视广播,各国都采用正交调幅(QAM)方式。还包括卫星电视广播,各国都采用四相相移键控(QPSK)调制方式。数字电视接收机。对应上述三种发射传输方式,目前已有接收地面广播的数字电视机、接收有线电视广播的机顶盒(STB)和接收卫星数字电视广播的综合接收解码器(IRD)。最终三种接收机都应合在一起,成为多制式的全数字接收机。美国把重点放在HDTV的研制上。1996年12月24日,美国联邦通信委员会批准了以HDTV为基础的ATSC数字电视标准;1998年11月开始了数字电视地面广播;决定2006年停止模拟制的NTSC电视广播,全部采用数字电视广播。欧洲发展数字电视的DVB计划也积极进行,1998年8月,英国已开始数字电视地面广播。德、法、北欧各国已开始卫星数字电视广播。日本计划到2003年开始数字电视地面广播。我国开始引进美国GI公司的设备,先后在多个省区用MPEG-2压缩技术进行卫星数字电视广播,但我国地面数字电视广播还需要十年以上的时间才可能普及。电视数字化是电视技术发展的必然趋势,模拟电视机向数字电视机过渡也是必由之路。21 数字化音响设备早期的唱片是根据声音进行模拟振动形成音槽纹道而制成的。录音机是用磁头在磁带上进行模拟信号记录。1982年问世的CD盘,是将数字信息记录在磁道上,是数字技术取代模拟技术的典型产品,CD盘只用了5年就淘汰了唱片。DAT(数字录音带)和MD(小型光盘)的出现,使人们可以轻松享受高质量的数字录音。内置无机械系统的快闪存储器转录器,可以录音30-60分钟,也是一种数字化的高质量音响设备。31 数字电机控制当前电机业的发展趋势之一,是采用经济实惠和高质量的无刷电机控制系统,用DSP方案为这种现代控制算法提供支持。美国TI公司估计全世界的电机年产量超过100亿台,用DSP实现数字电机控制具有庞大的市场。为此,推出了一种新的数字信号处理芯片系列TMS320C24X,它拥有合理的电机控制配置,可应用于诸多领域,包括供热、空调和通风(HVAC)、汽车控制器、电子助力转向、防抱死刹车、压缩机、热泵、洗衣机、冰箱、打印机、复印机等电机控制部件。C24X芯片可以提供电机变速和转向的控制算法,具有产生指令、交流数据、监控系统的功能,还可以节省电机的能耗。这种芯片的批量价格约为10美元左右,容易被厂家采用。数字信号处理技术在电机控制方面的威力将日渐显现出来。41 数字手机和基站当前数字移动通信有美国的TDMA(时分多址,IS-54标准)、欧洲的GSM以及美国、韩国的CDMA(码分多址,IS-95标准)等制式。国外用TMS320C54芯片可以完成语音编码器、信道编解码器、误差修正、均衡、解调和校验等多种功能。在欧洲的GSM制式的数字移动电话手机中,其基带处理采用了以DSP为核心的CDSP专用芯片(包括DSP和模拟处理)。国内的研究开发者也用C542芯片完成了语音编解码和信道编解码功能,并把它们用于CDMA(IS-95)制式中。DSP在数字移动通信中的应用主要是进行数字基带信号处理。目前国内的研发工作,首先是在板级电路中应用通用DSP芯片和FPGA芯片实现数字基带信号处理功能,在完成算法的调试后,再生产以DSP芯片为核心的专用芯片。关键工作是研究优良的算法,并设法在DSP芯片上实现。51 数字化的电脑电视和电视电脑随着数字技术的发展和全球信息化浪潮的推动,目前有众多厂商适应了未来家庭网络化和多媒体化的消费潮流,推73科技前沿与学术评论21卷3期出了信息家庭化产品,其中电脑电视(PC-TV)就是引人注目的一种数字化产品。PC-TV是以PC为主流配置又能收看电视、能用遥控键盘或鼠标进行PC操作,具有高速Mo2dem能回放MPEG-1或MPEG-2的图像,采用带视频输出的显示卡,把VGA信号变成视频信号,兼容普通电视机和PC的显示器。另一种新的信息化家电,称为电视电脑(TVB)也称电视脑,在PC-TV的配置基础上,采用先进的电子硬盘及系统集成技术,使其具有无软件故障、不怕病毒、操作简单、成本较低等优点,为家庭提供了通过电视机浏览Internet的方便途径,并兼有CD、VCD、CD-ROM等多项娱乐功能。我国有5000万台电视机,若有条件配上TVB,投资不大而增加了电脑功能,可能会有巨大市场。61 个人数字助理器个人数字助理器(PDA)日渐流行,逐渐成为专业人员所需的移动办公用品,1996年以来,已有四类产品:笔操作PDA、笔记本电脑PDA、手持式PDA和在GSM手机上加入数字处理的PDA,各类产品均应具有个人信息管理、电子邮件、传真接收发送、信息检索、电子字典和翻译以及游戏等功能,可以与Internet网连接,PDA的支撑技术是:PDA的操作系统;包括DOS、Windos 95及升级板本。硬件技术:低功耗高性能CPU、大容量存储器、高质量重量轻的电池和小巧的显示器。接入技术:指无线接入网卡和相应软件。服务质量控制技术。手写体识别技术与语音识别技术。以上支撑技术大都与数字处理技术密切相关。在我国,中文PDA应具有广泛的市场。由国内公司开发的笔记本电脑和掌上电脑,可以通过电话线上网,浏览信息、收发电子邮件、收发传真,掌上的电脑可通过线缆与台式计算机实现数据同步。输入方式可以有手写识别、手写速记和录音。据预测,国内2000年以后,PDA市场可能达到数百万台,这将给中文软件开发带来巨大商机。71 数字照像机1990年第一台数码照相机问世以来,数字摄影技术发展迅猛,早期,美国曾用它通过卫星向地面传送太空照片,以后转为民用,并不断拓展范围,目前已有逐步占有部分传统光学相机市场的势头。数字照相机不用胶卷,而是采用光敏半导体器件(CCD或CMOS)将光信号经过模数转换(A/D转换器)、数字处理和压缩,最后将图像文件保存在存储器内。图像可以通过计算机显示器或电视屏幕显示,也可以通过彩色打印机输出,整个过程无需暗室,操作十分方便。数字照相机利用电脑对所拍影像进行数字化加工处理,比传统照片快捷、精确、多样、无耗,具有极大的优越性。数字照像机的核心是图像处理单元,通过算法对数字图像进行优化处理,包括黑白平衡、彩色平衡、伽玛矫正和边缘矫正等,改善图像的质量。还要进行数据压缩,以便节省存储器空间,以利于小型化。图像处理单元正是采用DSP芯片来完成的,目前TI公司的TMS320C54和TMS320C6X系列芯片是较成熟和应用广泛的芯片。可见数字照相机的核心技术就是数字信号处理。目前的问题是成本比传统照相机高大约为5001000美元,但随着技术的发展,数字照相机的性能和价格会不断向消费者靠拢,而为人们接受。81 数字复印机扫描仪和激光打印机一体化的数字复印机正在迅速推广,其放大、缩小、变焦等功能不是通过改变复杂的光学系统而是用数字图像处理技术来实现。更加逼真的彩色复印也用数字图像处理技术来完成。这一新产品是把光学模拟方式向数字化过渡的又一典型范例。91 数字视频光盘机数字视频光盘机包括在中国市场上火爆的VCD、CVD和被视为消费电子产品新热点的DVD。VCD的记录媒体是只读的CD塑料园盘,以数字的形式记录图像和声音的信号,采用图像MPEG-1的数字压缩技术,数据传输率为1.15Mbit/s,图像分辨率为250-300线,声音数字压缩算法采用心理声学模型,压缩比为61,采样频率为44.1KHz。CVD是和VCD一样的基于视频光盘的数字视频产品,但在性能和技术上都优于VCD,图像采用MPEG-2压缩算法,图像分辨率在300-400线之间,画面清晰,具有4声道立体声。视频和音频质量更高但价格仅比VCD略高,而且CVD可以兼容VCD及CD音响,有更好的市场竞争力。DVD是更新一代的高密度数字视频光盘机,图像也采用MPEG-2压缩算法,图像分辨率达到720线,可用于32彩色大屏幕显示,DVD具有更大的存储容量,可达216G字节,以后可达12G字节以上。也具有立体声通道,并能向下兼容VCD。但目前由于价格较高、节目源和片源缺乏、驱动盘供应不足等原因,还不能很快普及,即使如此,DVD也将会是一个非常大的市场。四、数字信号处理展望今后DSP的发展预计有三个重要的方面。一是大力推进DSP技术在各个领域的应用。就在当前亚洲金融风暴使经济形势出现低迷的情况下,电子产品要找到新的增长点,唯一的出路是数字化。可以说,一切电子产品,包括通信、广播、电视控制、家用电器、电视音响等消费类电子产品,数字化的时代已经到来,“数字化的魅力无穷、模拟处处数字化”的景象已经展现,今后将会迎来新的高潮。二是开发以DSP为核心的大批专用ASIC芯片。DSP的这个发展方面是与其它集成电路融合,在许多产品中将会出现更多的嵌入DSP内核的电路,并发展成为性能价格比高的专用芯片。三是出现新一代的DSP技术,即单片系统集成电路。预计2000年世界半导体的需求达2000亿美元,采用011CMOS工艺和12硅园片批量生产,单片集成度可望达到1亿个晶体管,存储器将集成度可能达到10亿个晶体管,时钟频率将达到400MHz以上。也就是说2000年以后的微电子技术可以把一个系统集成到一个芯片上去,成为单片系统83科技前沿与学术评论世界科技研究与发展集成电路。这种新的单芯片系统,除了大量数字电路外,还会含有大量的模拟电路、高速A/D和D/A、敏感元件,因此从理论算法、芯片结构、生产工艺和生产规范诸方面都会更加复杂,必将进入一个理论和技术的新阶段。新一代的数字信号处理技术是单片系统集成电路的重要基础之一,人们期待着21世纪这种单芯片集成系统早日出现。五、我国DSP技术发展简况我国的DSP技术,随着国际潮流的发展,也进步很快。当前,我国的DSP技术也处于一个大发展的开始,从军用到民用,在计算机、通信和消费电子领域也已开始了一场以DSP技术为基础的数字化革命,国内已有大量单位,包括大学、研究所和公司在应用DSP技术方面取得了一定的成果,国内也有自行研制的DSP开发系统上市,还出现了DSP技术培训中心,这些都对推动国内DSP技术应用热潮到来作出了贡献。我国的DSP技术,除了在芯片研制方面差距很大之外,在应用国外芯片研制产品方面和算法研究方面差距不很大,特别是今年以来,国外的最新芯片一上市,国内就可以选择应用,给我国DSP技术发展提供了优良的硬件条件。我们期待着尽快形成自己的DSP高技术产业,占领更大的国内数字化消费产品的市场,进而争取更多的产品出品。我国的DSP技术与市场有着广阔美好的光明前景。The Development and Applications ofDigital Signal ProcessingProfessorYU Daoheng(Peking University,Beijing 100871)Abstract:In this paper,the development history,theory,technology and some applications of Digital signalprocessing(DS P)are introduced.Key words:digital signal processing,digital products(责任编辑:房俊民)国外新闻英科促会主席谈知识经济时代教育发展战略 英国科学促进协会主席、葛兰素 韦尔科姆集团董事长赛克斯最近在英国 科学和公共事务 杂志撰文,呼吁英国制定新的教育战略,以迎接知识经济时代的国际竞争。赛克斯指出,教育要为维持英国在国际竞争中的领先地位服务,所以必须从这一角度对英国教育体制重新审视。赛克斯在文章中认为,要确保英国教育体制能满足知识经济提出的要求,以下三个因素至关重要:首先须明确,教育不仅是让人们“有知识”,同时还要教会人们应用知识和信息解决问题、创造新产品和新服务;第二,必须认识到科学和技术在未来发展中所起的核心作用;第三,加强对教育和培训等进行投资。赛克斯认为,政府和社会各界都有责任鼓励年轻人爱科学、学科学。他说,政府应进一步改善中小学和大学教学条件,教师们应热爱自己所教科目,并通过将这种热爱传递给学生而激发起他们的学习热情。另外,学校必须让孩子们从小就认识到科学是具有挑战性、值得为之付出的事业,而工业界等则应为学生提供更多机会,让他们在实验室等场所获得更多的科学探索体验。赛克斯称,教育所起的作用不应仅局限在为受教育者将来工作提供准备,同时还需确保一般公众对科学问题能有所理解。赛克斯认为,未来的教育,应能帮助人们对科学新进展所带来的利益和风险作出更加理性的判断。(新华社供本刊稿)93科技前沿与学术评论21卷3期