Что такое цифровая обработка сигналов (DSP)?

Привет всем, я Роуз. Сегодня я хочу представить вам цифровую обработку сигналов. Цифровая обработка сигналов — это использование компьютера или специального оборудования для обработки в цифровой форме для сбора, преобразования, фильтрации, оценки, улучшения, сжатия, распознавания и другой обработки сигналов в целях соответствия потребностям людей. форма сигнала.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Что такое ДСП?

Ⅱ. Область применения чипа DSP

Ⅲ. Чип FPGA против чипа DSP

Ⅰ. Что такое ДСП?

DSP относится к технологии цифровой обработки сигналов , чип DSP относится к чипу, который может реализовать цифровую технология обработки сигналов, Чип DSP – это быстрый и мощный микропроцессор, уникальный тем, что он может обрабатывать данные мгновенно. В чипе DSP программа и данные разделены гарвардской структурой со специальным аппаратным умножителем, который можно использовать для быстрой реализации различных алгоритмов цифровой обработки сигналов. В современную цифровую эпоху цифровая обработка сигналов стала основным устройством в сфере связи, компьютеров, бытовой электроники и других областях.

Рождение DSP-чипа – это потребность The Times. С 1960-х годов, с бурным развитием компьютерных и информационных технологий, технология цифровой обработки сигналов возникает в исторический момент и получает бурное развитие. До появления чипов DSP обработка цифрового сигнала могла осуществляться только микропроцессором. Однако из-за низкой скорости обработки микропроцессора он не может удовлетворить потребности в высокоскоростной передаче все большего и большего объема информации в режиме реального времени. Поэтому применение более быстрых и эффективных методов обработки сигналов становится все более актуальной социальной потребностью.

В 1970-х годах теория и алгоритмы микросхем DSP были зрелыми. Но в то время ЦСП осталась только в учебниках, даже разработанная система ЦСП состоит из дискретных компонентов, область ее применения ограничивается военными, аэрокосмические факультеты.

В 1978 году компания AMI выпустила первый в мире однокристальный чип DSP S2811, но для современного чипа DSP не требуется аппаратного умножителя;

В 1979 году коммерческое программируемое устройство 2920, выпущенное корпорацией Intel , стало важной вехой в развитии чипов DSP, но у него до сих пор нет аппаратного умножителя. ;

В 1980 году MPD7720 был представлен компанией NEC В Японии появился первый коммерческий процессор DSP с аппаратным умножителем, который считался первым однокристальным устройством DSP.

В 1982 году в мире появилось первое поколение чипа OF DSP TMS32010 и его серийные продукты. Это устройство DSP изготовлено по технологии NMOS с микронной технологией. Хотя потребляемая мощность и размер немного больше, скорость вычислений в десятки раз быстрее, чем у микропроцессора. Появление чипа DSP является важной вехой, которая знаменует собой большой шаг вперед от большой прикладной системы DSP к миниатюризации. В середине 1980-х годов, с появлением чипа CMOS DSP, его емкость и скорость работы были увеличены вдвое, что стало основой обработки голоса и технологии аппаратной обработки изображений.

В конце 1980-х годов вышло третье поколение чипов DSP. Скорость вычислений еще больше повышается, а сфера применения постепенно расширяется до областей связи и компьютеров.

В 1990-е годы произошло самое быстрое развитие DSP: последовательно появились четвертое и пятое поколение чипов DSP. По сравнению с четвертым поколением система пятого поколения более интегрирована: ядро DSP и периферийные компоненты объединены на одном чипе.

В 21 веке на свет появилось шестое поколение чипов DSP. Чип шестого поколения в исполнении чипа пятого поколения, основанный на различных коммерческих целях развития множества персонализированных ветвей, начал постепенно расширять новые области.

Ⅱ. Область применения чипа DSP

Чип DSP подчеркивает реальное время цифровой обработки сигнала. DSP, как процессор цифровых сигналов, преобразует аналоговые сигналы в цифровые для высокоскоростной обработки в реальном времени специальным процессором. Он имеет высокоскоростные, гибкие, программируемые функции интерфейса с низким энергопотреблением, в обработке графики и изображений, обработке речи, обработке сигналов и других областях связи играют все более важную роль.

Фигура. 1 Применение чипа DSP на рынке

Существует множество областей применения DSP, и ожидается, что в будущем будут появляться новые области применения. Согласно статистике авторитетной информационной компании в США, чип DSP является наиболее широко используемым на рынке, его доля составляет 56,1%; Далее следует компьютерная область, на которую приходится 21,16%; Бытовая электроника и автоматическое управление составили 10,69%; Военные/авиационные 4,59%; Приборы составили 3,5%; Промышленный контроль составил 3,31%; Автоматизация делопроизводства составила 0,65%.

1) Применение чипа DSP в области мультимедийной связи.

Объем информации, генерируемый при передаче мультимедийных данных, огромен, и терминалам мультимедийной сети необходимо быстро анализировать и обрабатывать объем информации, полученной в ходе всего процесса, поэтому DSP используется при кодировании голоса, сжатии изображения и сокращении голосовой связи. В настоящее время DSP обеспечивает эффект в реальном времени для расчета декодирования речи, а требования протокола проектирования стали основным международным стандартом.

2)применение чипа DSP в области промышленного управления.

В области промышленного управления широко используются промышленные роботы, и требования к производительности системы управления роботами становятся все выше и выше. Производительность в реальном времени является наиболее важной частью системы управления роботом. При выполнении действия будет генерироваться больше данных и вычислительной обработки. Здесь можно использовать высокопроизводительный DSP. DSP, применяясь к системе управления роботом, в полной мере использует характеристики скорости вычислений в реальном времени, позволяет системе робота быстро справиться с проблемой, а также улучшить скорость цифрового сигнального чипа DSP, легко сформировать параллельную обработку в системе. Сеть, значительно улучшающая производительность системы управления, позволяет робототехнической системе получить более широкое развитие.

3) Применение чипа DSP в приборостроении.

Богатые встроенные ресурсы DSP могут значительно упростить аппаратную схему прибора и реализовать SOC конструкцию прибора. Точность измерения и скорость прибора являются важными показателями, которые можно значительно улучшить с помощью чипа DSP. Например, TI 's TMS320 F2810 имеет эффективный 32-битное ядро ЦП, 12-битный аналого-цифровой преобразователь, богатая встроенная память и гибкая система команд создают широкую платформу для высокоточных приборов. Высокоточные инструменты в настоящее время превратились в важное применение цифровой обработки сигналов, которое находится в период быстрого распространения и будет способствовать технологическим инновациям в отрасли.

Фигура. 2. Чип TMS320 компании Texas Instruments

4) Применение чипа DSP в области безопасности транспортных средств и беспилотного вождения.

Все более совершенные автомобильные электронные системы, такие как инфракрасные и миллиметровые радары, потребуют анализа цифровой обработки сигналов. В настоящее время, когда появляется все больше и больше автомобилей, система предотвращения столкновений стала горячей точкой исследований. Кроме того, данные изображения, снятые камерой, должны быть обработаны DSP, прежде чем их можно будет отобразить в системе вождения для справки водителю.

5) Применение чипа DSP в военной сфере.

Низкое энергопотребление, небольшой размер и скорость реакции в реальном времени DSP особенно необходимы в оружии и технике. Например, авиационная ракета класса «воздух-воздух», оснащенная инфракрасным детектором и соответствующим сигнальным процессором DSP, а также другими деталями в ограниченном объеме для выполнения автоматического захвата и сопровождения цели. Визуальные прицелы на современных истребителях и пленках шлемового типа, которыми пользуются пехотинцы, нуждаются в технологии DSP для полной фильтрации и улучшения изображения, а также для интеллектуального поиска и захвата целей. Технология DSP также используется в автоматическом управлении пушками, крылатых ракетах, самолетах дальнего обнаружения, антеннах с фазированной решеткой и в других системах цифровой обработки радиолокационных сигналов.

На рынке элитных товаров доминируют иностранные компании.

В настоящее время в мире существует три основных производителя микросхем DSP: Texas Instruments (TI), Analog Components (ADI) и Motorola. Среди них TI лидирует и занимает большую часть международного рынка. ADI и Motorola также имеют определенную долю рынка.

Texas Instruments (TI) признана лидером отрасли DSP. Компания успешно выпустила свой чип DSP первого поколения TMS32010 в 1982 году, Потому что чип DSP серии TMS320 обладает низкой ценой, простотой в использовании, мощными функциями и так далее. Таким образом, он постепенно стал самым влиятельным и успешным процессором серии DSP.

Среди трех основных серий компании TI серия THE C2000 сейчас занимает небольшую долю рынка, а продукция DSP Три основные серии продуктов DSP: серия C2000, в основном используемая в цифровых системах управления; Серия C5000 (C54x, C55x) в основном используется для устройств с низким энергопотреблением и портативных терминалов беспроводной связи. Серия C6000 в основном используется в высокопроизводительных и сложных системах связи. Микросхема DSP TMS320C54x серии C5000 широко используется в средствах связи и бытовой электронике.TI представлены в основном модели C6000 и C5000. TI

Основными продуктами серии C6000 являются: C6000 DSP +процессор ARM (12) -- OMAP-L1X (5), 66AK2x ( 7); C6000 DSP (94) – C674xDSP (5), C66x DSP (11)

Основным продуктом серии C5000 является: C55x DSP со сверхнизким энергопотреблением, который обеспечивает эффективную обработку сигналов для компактных встраиваемых устройств со сверхнизким энергопотреблением.

Продукты TI DSP в основном используются в машинном зрении, авионике и обороне, размере, весе и энергопотреблении (SWAP), кодировании/декодировании аудио и видео, а также биометрии.

В настоящее время компания ADI имеет шесть основных продуктов, применяемых соответственно в областях обработки голоса, обработки изображений, управления процессами, измерения и контроль и измерение.

ADI фокусируется на продуктах и приложениях DSP.

MOTOROLA также является крупнейшим в мире ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ чипов DSP, включая чипы с фиксированной и плавающей запятой, специализированные и общего назначения, 16, 24 и 32 бита. Чип DSP в основном используется в обработке речи, связи, цифровых камерах, мультимедиа, управлении и других областях. Основными продуктами являются серия DSP56000 , серия DSP56800, серия DSP56800E, серия MSC8100, серия DSP56300 и т. д.

В будущем технология DSP продолжит развиваться и обновляться в следующих аспектах:

1) Интеграция ядра DSP становится все выше и выше.

Тенденцией развития технологии DSP всегда было уменьшение размера чипа DSP. В настоящее время большинство из них основаны на RISC структуре. С внедрением новой технологии все больше и больше производителей начинают совершенствовать ядро DSP и интегрировать несколько ядер DSP, ядра MPU и периферийных схем в один чип. Система DSP уровня интегральной схемы реализована.

2) Программируемый чип DSP станет доминирующим продуктом в будущем.

В связи с необходимостью индивидуальной разработки, DSP программируется для производителей, чтобы обеспечить большую гибкость, чтобы удовлетворить производителей в одном и том же чипе DSP, чтобы разрабатывать более различные модели и характеристики серии продуктов, а также заставлять большинство пользователей обновлять DSP. Например, холодильники и стиральные машины, которые раньше были оснащены микроконтроллерами, теперь заменены программируемыми DSPS для управления мощными двигателями.

3) Доминируют DSPS с фиксированной точкой.

В настоящее время среди продаваемых на рынке устройств DSP 16-битные программируемые устройства DSP с фиксированной запятой по-прежнему занимают основное место. Учитывая постоянную низкую стоимость устройств DSP с фиксированной точкой, преимущества все меньшего и меньшего энергопотребления становятся все более очевидными. В будущем чипы DSP с фиксированной точкой по-прежнему будут главным героем рынка.

Ⅲ. Чип FPGA против чипа DSP

FPGA - это программируемая вентильная матрица, являющаяся полуиндивидуализированной схемой в области ASIC, она не только решает проблему нехватки индивидуальных схем, но также преодолевает недостатки оригинального программируемого устройства, количество вентильных схем ограничено. С помощью чипа FPGA вы можете программировать недавно изобретенное ядро ЦП, встроенное в чип FPGA, и его можно встроить более чем в один.

Фигура. 3 Базовая архитектура FPGA

Международный рынок FPGA монополизирован четырьмя гигантами: Altra, Mgosomme и Lattice. Altra и Celings — изобретатели FPGA. Altra изобрела первое в мире программируемое логическое устройство в 1983 году, а компания Celings выпустила первый в мире продукт FPGA XC2064 в 1985 году. Согласно финансовым отчетам компании за 2017 год, выручка Syrynx составила 2,349 миллиарда долларов США, Altera (приобретена Intel) на сумму 1,902 миллиарда долларов, бизнес MGOgor-Somme FPGA на 421 миллион долларов и Lattice на 386 миллионов долларов. Вместе Celins и Alterra занимают почти 90 % международного рынка.

Фигура. 4 Доля рынка FPGA Four Giants в 2017 г.

Чип FPGA отличается от чипа DSP. DSP — специальный микропроцессор, подходящий для условных процессов, особенно для более сложных многоалгоритмических задач. FPGA содержит большое количество ресурсов для реализации комбинационной логики, которые могут завершить крупномасштабное проектирование схем комбинационной логики. В то же время он также содержит значительное количество триггеров, с помощью которых FPGA может выполнять сложные последовательные логические функции.

Фигура. 5 областей применения чипов FPGA в 2016 году

Универсальность чипов DSP относительно слаба, а у FPGA выше.

DSP обладает гибкостью программного обеспечения, а FPGA обладает высокой скоростью аппаратного обеспечения.

DSP последовательно выполняет события с низкой скоростью, но перед обработкой может быть некоторая задержка, в то время как FPGA не может обрабатывать несколько событий, поскольку каждое событие имеет свое собственное выделенное оборудование, но каждое событие может выполняться одновременно с использованием этого выделенного оборудования.

DSPS программируются как последовательный поток инструкций, тогда как FPGA программируются как блок-схемы, что упрощает просмотр потока данных.

Тенденцией будущего проектирования также является объединение DSP и FPGA, принятие структуры DSP+FPGA или встраивание модуля DSP в микросхему FPGA в соответствии с требованиями гибкой структуры и общности, а также сложного алгоритма.

Frequently Asked Questions

1. Что такое ЦСП?

Digital Singnal Processor (DSP) — уникальный микропроцессор, обрабатывающий большой объем информации с помощью цифровых сигналов. Его принцип работы заключается в получении аналогового сигнала, преобразовании в цифровой сигнал 0 или 1, а затем изменении, удалении, усилении цифрового сигнала и интерпретации цифровых данных обратно в аналоговые данные или формат фактической среды в других системных чипах.

2. Каковы характеристики DSP?

(1) Одно умножение и одно сложение могут быть выполнены за один командный цикл; (2) Отдельное пространство программы и данных, возможность одновременного доступа к инструкциям и данным; (3) Чип имеет быстрое ОЗУ, доступ к которому можно получить одновременно по двум частям через независимую шину данных; (4) аппаратная поддержка с низкими или отсутствующими служебными циклами и переходами; (5) Быстрая обработка прерываний и поддержка аппаратного ввода-вывода; (6) с несколькими аппаратными генераторами адресов, работающими в одном цикле; (7) Несколько операций могут выполняться параллельно; (8) Поддержка работы конвейера, так что операции пальца, декодирования и выполнения могут перекрываться!

3. Каковы преимущества цифровой обработки сигналов перед аналоговой обработкой сигналов?

Функция цифровой обработки сигналов состоит в том, чтобы просто оцифровать аналоговую величину и преобразовать ее в последовательность, состоящую из 0 и 1. Ее преимуществами являются, главным образом, гибкость оборудования, точность и сильная защита от помех, скорость удаленной передачи и отсутствие искажений (относится к передача искажений), аналоговый сигнал при затухании сигнала при передаче на большие расстояния и, если можно так выразиться, плохая защита от помех, это только из-за соотношения между частотой дискретизации при аналого-цифровом преобразовании могут появиться искажения, но с прогресс технологии выборки все выше и выше, этот недостаток становится все менее и менее очевидным.