信號處理
現代社會對數據通信需求正向多樣化、個人化方向發展。而無線數據通信作為向社會公眾迅速、準確、安全、靈活、高效地提供數據交流的有力手段,其市場需求也日益迫切。正是在這種情況下,3G、4G通信才會不斷地被推出,但是無論是3G還是4G,未來通信都將離不開DSP技術(數位訊號處理器),DSP作為一種功能強大的特種微處理器,主要套用在數據、語音、視像信號的高速數學運算和實時處理方面,可以說DSP將在未來通信領域中起著舉足輕重的作用。為了確保未來的通信能在各種環境下自由高效地工作,這就要求組成未來通信的DSP要具有非常高的處理信號的運算速度,才能實現各種繁雜的計算、解壓縮和編解碼。而目前DSP按照功能的側重點不一樣,可以分為定點DSP和浮點DSP,定點DSP以成本低見長,浮點DSP以速度快見長。如果單一地使用一種類型的DSP,未來通信的潛能就不能得到最大程度的發揮。為了能將定點與浮點的優勢集於一身,突破 DSP技術上的瓶頸,人們又推出了一種高級多重處理結構--VLIW結構,該結構可以在不提高時鐘速度的情況下,實現很強的數位訊號處理能力,而且它能同時具備定點DSP和浮點DSP所有的優點。為了能推出一系列更高檔的新技術平台,人們又開始注重DSP的核心技術的開發,因為DSP的核心就相當於計算機的CPU一樣,被譽為DSP的心臟,大量的算法和操作都得通過它來完成,因此該核心結構的質量如何,將會直接影響整個DSP晶片的性能、 功耗和成本。
考慮到未來無線訪問Internet網際網路和開展多媒體業務的需要,現在美國的Sun公司又開始準備準將該公司的拳頭產品--PersonalJava語言嵌入到DSP中,以便能進一步提高DSP在處理信號方面的自動化程度和智慧型化程度。當然,在以前DSP中也潛入了其他軟體語言,例如高級C語言,但這種語言在處理網路資源以及多媒體信息方面無能為力;而PersonalJava是一種適合個人網路連線和套用的Java環境,基於該環境的個人通信系統可以從網路和Internet網上下載數據和圖像。此外,人們還在研究開發符合MPEG-4無線解壓縮標準DSP,該壓縮標準將為未來通信傳輸各種多媒體信息提供了依據。
作為一個案例研究,我們來考慮數字領域裡最通常的功能:濾波。簡單地說,濾波就是對信號進行處理,以改善其特性。例如,濾波可以從信號里清除噪聲或靜電干擾,從而改善其信噪比。為什麼要用微處理器,而不是模擬器件來對信號做濾波呢?我們來看看其優越性:模擬濾波器(或者更一般地說,模擬電路)的性能要取決於溫度等環境因素。而數字濾波器則基本上不受環境的影響。數字濾波易於在非常小的寬容度內進行複製,因為其性能並不取決於性能已偏離正常值的器件的組合。一個模擬濾波器一旦製造出來,其特性(例如通帶頻率範圍)是不容易改變的。使用微處理器來實現數字濾波器,就可以通過對其重新編程來改變濾波的特性。
架構
數位訊號處理是一種將現實世界中的真實信號(專業術語稱之為連續信號)轉換為計算機能夠處理的信息的過程。比如人們說話的聲音,這就是一個連續信號,除此之外,現實生活中還有很多這樣的信號,比如光、壓力、溫度等等。這些信號通過一個模擬向數字的轉換過程(稱之為AD),變成數位訊號送給處理器,進行數字計算,處理結束後,再把結果通過數字向模擬的轉換過程重新變成連續信號(稱之為DA)。用一般的通用微處理器可以完成這些工作,但是面臨的問題是滿足如此高的計算速度,就很難保證耗電量很低,更難保證價格足夠便宜。因此,另一種微處理器應運而生:數位訊號處理器,簡稱DSP。DSP是微處理器的一種,這種微處理器具有極高的處理速度.因為套用這類處理器的場合要求具有很高的實時性(Real Time)。比如通過行動電話進行通話,如果處理速度不快就只能等待對方停止說話,這一方才能通話。如果雙方同時通話,因為數位訊號處理速度不夠,就只能關閉信號連線.在DSP出現之前數位訊號處理只能依靠MPU(微處理器)來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此,直到70年代,有人才提出了DSP的理論和算法基礎。那時的DSP僅僅停留在教科書上,即便是研製出來的DSP系統也是由分立元件組成的,其套用領域僅局限於軍事、航空航天部門。
90年代DSP發展最快,相繼出現了第四代和第五代DSP器件。現在的DSP屬於第五代產品,它與第四代相比,系統集成度更高,將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一晶片上。這種集成度極高的DSP晶片不僅在通信、計算機領域大顯身手,而且逐漸滲透到人們日常消費領域。
晶片
DSP晶片,也稱數位訊號處理器, 是一種具有特殊結構的微處理器。DSP晶片的內部採用程式和數據分開的哈佛結構,具有專門的硬體乘法器,廣泛採用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可以用來快速的實現各種數位訊號處理算法。根據數位訊號處理的要求,DSP晶片一般具有如下的一些主要特點:
(1) 在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法。
(2) 程式和數據空間分開,可以同時訪問指令和數據。
(3) 片內具有快速RAM,通常可通過獨立的數據匯流排在兩塊中同時訪問。
(4) 具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬體支持。
(5) 快速的中斷處理和硬體I/O支持。
(6) 具有在單周期內操作的多個硬體地址產生器。
(7) 可以並行執行多個操作。
(8) 支持流水線操作,使取指、解碼和執行等操作可以重疊執行。與通用微處理器相比,DSP晶片的其他通用功能相對較弱些。
收音機
DSP收音機打破了傳統收音機的電路模式,採用美國SILICON LABS 的數位訊號處理(DSP)晶片,對模擬調頻廣播信號進行數位化轉換,並利用現代軟體無線電原理對其進行處理和解調,極大的提高了靈敏度、選擇性、信噪比和抗干擾能力。(1)調頻接收頻率範圍可設成87~108MHz或76~108MHz(接收部份校園廣播) , 用耳機可收聽調頻立體聲電台節目。
(2)本機操作非常人性化,使用便捷,設有非常實用的多功能數碼調節旋鈕,可用來設定時間、調節頻率、選擇存儲地址。
處理平台
該設備簡稱HVD。HVD是一個通用的視頻圖象處理平台,功能模組包括:視頻圖象的輸入、AD轉換、計算和處理、輸出接口。
典型套用:用於交通數據的採集。在公路上架設攝像頭,將視頻接入HVD,對過往車輛的車牌號、當前車速、車型進行自動識別和計算,並將採集到的數據上報給公路管理部門,作為交通管理或管制的基礎數據。
典型套用的功能描述:從外接公路攝像頭將視頻模擬信號接入到HVD中,HVD先將模擬視頻AD,將AD後的原始視頻數據送到高速DSP中計算、分析、識別,輸出有關的車輛車牌信息和車速有關信息,HVD可以通過TCP/IP標準乙太網接口與上層監視中心連線,也可以通過GPRS與上層監視中心實現無線連線,HVD同時具有位置信息上報功能(集成GPS模組)。
車牌識別系統算法分為三個步驟,檢測(檢測出車牌在當前視頻幀上所處的位置)、切割(將車牌號所在的圖像區域切割出來,用於後繼的識別運算)、識別(識別出車牌號和車速)。由於識別步驟所使用的是浮點運算,為了確保HVD有足夠的處理能力,將浮點運算獨立出來,使用專門的浮點DSP來進行該部分的浮點運算。
主DSP的選型為TMS320DM642GDK,該型號DSP有視頻數據接口,有EMAC接口,有標準的EMIF接口,用在該系統中可去省去很多的中間連線晶片。從DSP的選型為TMS320C6713GDP,浮點DSP,有16位HPI接口。主從DSP通訊是通過主DSP的EMIF和從DSP的HPI接口來實現的,接口易實現和可靠。
視頻A/D晶片為:SAA7111A,3.3V供電。
乙太網接口晶片為:LXT972A,3.3V供電。
GPRS模組型號:SIM100,內部集成TCP/IP協定棧。
GPS模組:GPS25-LVS,常用GPS模組。
外接電源為市電,220V交流。
該設備是工業級的,充分考慮了電磁干擾問題,特別是在公路上電火花的衝擊、電源的大幅波動。