数字信号处理器DSP在通信系统中的应用

数字信号处理器DSP在通信系统中的应用

彭丽娟 ,刘陶 ,王薇

中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所  陕西西安  710065

摘要：数字信号处理器DSP是一种高性能的数据处理芯片，目前被广泛应用在通讯领域当中，具有着高效数据处理、优化算法等特点。该芯片不仅在4G领域中广泛应用，并且对我国5G的建设也有极大的推进作用。本文将从DSP芯片的特点出发，阐述DSP芯片在语音压缩和无线电通讯这两方面的重要应用。

关键字：数字信号处理器；DSP芯片；通信系统

前言：随着科技日新月异的发展，电子技术和计算机被广泛的应用到生活的各个领域当中，为了能够更好的服务人们的生活，许多带有特定功能的计算设备和芯片不断被研发出来，其中就包括DSP技术和DSP芯片，它们被广泛应用在数字信号处理方面。 DSP芯片的诞生还要追溯到上个世纪70年代末，随着这些年的不断发展，DSP芯片的应用领域也会不断的扩大，如今在计算机的外设设备中，大部分都能看到DSP技术和电子芯片的影子，例如通信、工业控制、航空航天、家用电器等。尤其是在通讯这一领域当中， DSP芯片和DSP技术已经成为了通讯领域的核心技术。

1. DSP的特点

DSP作为一种芯片，在计算机系统中需要做到实时处理数据的功能。在较为复杂的监控系统和复杂的控制体系下，计算机要想完成特定的功能，要求其处理器能对每个指令都进行高效的执行，缩短执行周期，同时要求在命令执行过程中指令尽可能的少，以此降低处理的负荷并提高执行效率。 DSP芯片的设计可以说是针对这一要求而独特设计的，充分满足了计算机对高速实时信号处理的要求。这一点与DSP芯片独特的设计有关， DSP芯片的设计使用的是哈佛结构，其数据存储和程序都在不同的空间内储存，从而保证了执行时二者不会相互干扰。并且调用程序和数据从一条总线变成了两条总线，这使得数据的处理速度比传统的架构模式要快上一倍，哈佛结构的架构还可以通过流水线架构来减少指令的处理时间，这让DSP芯片在数据处理上要优于其他芯片。

 DSP芯片的作用就相当于指令精简的小型计算机，在整个计算机的系统中通过优化常用的一些指令来减少计算机对数据的处理，减少计算中的重复运算，进而提升计算机对数据处理的效率，在DSP芯片当中，最常用的算法便是递归形式的差分式方程，被用于数字方面的处理和控制，具体运算过程如下式所示。

在该方程式中，其输出量为y(n )；输入量为x(n )；过去时间节点的输出为y(n-j )，同时也是当前节点的输入；a(i )和b (j )表示的则是加权值。

该式的最终输出y (n)，需要对当前时间节点n的输入、过去时间节点的输入和输出进行加权和的计算，在计算过程中，每一步都需要进行一次乘法运算和加法运算。 DSP芯片中的这种乘法指令算法被称作为(MAC )，该乘法指令在fft算法和矩阵算法中也非常有效，能够在一个周期内运算一次乘法和加法。

利用这种并行的乘法算法， DSP芯片能够显著的提高处理器的执行速度，能够实现在同一个指令的运行周期内，同时进行数据位移和MAC操作，所以该芯片通常都用在对计算性能要求较高的系统中。

2. DSP的应用

2.1.语音压缩编码

要保证语音数据的高效率传输，必须经过语音压缩，否则庞大的语音数据会让传输效率变得极低，同时加大设备的负担。然而对语音进行压缩，不免会产生语音失真的现象，如何保证在语音压缩的过程中，既能获得高效率传输，同时保证语音的质量成为了语音压缩的主要问题。为了解决这一问题，波型编码的方式应运而生，采用了Nyquist定理，并且适应性强合成的语音质量也有一定的保障，这就让语音信号即便在宽带较窄的信道上传输时，也不会降低语音的传输质量。不过这种编码方式也不是尽善尽美的，虽然它的编码速率较高，但编码的效率却不太理想。为了提高编码效率，曾采用过参数化编码应用在语音压缩编码上，这种编码方式不同于波形编码，它能够对语音信号的特征进行收集并编码，利用语音产生的机制做到编码效率的理想化，然而这种编码形式却只能获得合成语音的效果，在质量方面无法与波型编码相比。

虽然在各个系统中语音压缩的算法和标准各有不同，但追根溯源，其压缩语音的原理和方法都是一致的，典型的语音压缩其原理详情请看图2.1。

图 2.1 语音压缩原理

从语音的输入到A/D转换、DSP压缩/解压缩、D/A转换和最终的语音输出便是语音压缩的主要过程，在整个过程中包含滤波放大、输入信号的采集以及数据处理等方面的操作。这些都是对大量数据的处理，同时对计算机的处理能力也有一定的要求。为了彻底解决编码效率与语音传输质量的矛盾，现在流行使用参数编码与波形编码相结合的混合编码技术，这样就能保证在编码和语音质量上都能够达到标准。最为常见的便是码激励线性预测与线性预测编码，不过这种编码方式对计算机处理器的计算速度同样有着较高的要求。这便有了DSP芯片的用武之地。

目前随着DSP芯片的越发成熟，其芯片高效处理数据的特性被应用于语音的压缩编码上，并取得了较为不错的成果，例如基于DSP芯片的G.729算法，便成了共轭结构激励线性预测的一大标准。在PCM话音采样或线型采样时，每过10毫秒就会生成一个长达10比特的话音帧，在提取其CELP模型参数后，这些数据将会以80比特每帧的标准在信道中进行传输，及详细原理如图2.2所示。

图 2.2 编码原理

在语音压缩这方面来说，如果倍率越高，相应的编码算法也会越为复杂，而这种压缩又不可能通过逻辑电路来实现，只有依靠DSP芯片这种高效数据处理器才是最好的选择。 DSP芯片的应用不仅让语音压缩算法变得高效，同时相关的系统设计也变得更为简单，大大提高了系统的可靠性。如今应用DSP芯片实现嵌入式的语音编解码系统，已经在监控系统，语音通信等通信领域中发挥着重要作用。

2.2.软件无线电

无线电的设计思想是利用模块化、标准化，建造一个通用的硬件平台，从硬件平台上实现各种各样的无线电功能，这便是新型无线通讯技术。实现无线电功能离不开软件的编程，这在一定程度上解除了传统无线电设计受制于硬件的限制，使无线电设计更加集成化，高效化，避免了编程功能单一、机动性差的弊端。目前的无线电硬件平台都是基于“A/D-DSP-D/A”模式的，这使得数字化处理能够更加接近射频天线，从而为平台各种功能模块的使用建立了基础。

图2.3展示的便是相关无线电结构的软件框架，其中具备存储设备、天线、多波段转换器、 DSP芯片处理器、A/D和D/A相互转换的芯片，这些都是实现无线电台重要功能必不可少的硬件设施，其中PSP芯片更是作为核心处理器使用，实时处理模数转换信号。

图 2.3 软件无线电结构

整个无线电系统的工作过程是将射频和中频信号进行数字化处理，再通过编写好的程序，从而实现无线电系统的各种功能，如调制解调、差错编码、信令控制、数字滤波等。在无线电系统接收到信号后，需要将信号先进行RF处理，将其A/D数字化，随后再通过数字处理模块进行处理，最终由天线发送到用户端。

目前无线电在通信领域中的应用已经十分广泛，尤其是在第四代移动通信网络当中，而我国正在研发的5G也离不开该项技术的使用。基于高性能的无线电可以建立出功能和信号传递效率更高的多频带基站和各种通信设备，并且降低了无线电设备的升级和维护成本。 DSP芯片和技术是实现无线电的重要技术，该芯片具有强大的算力，能够应对内部的大量数据处理、编解码器等需求，为高集成电路提供了硬件基础。

结论

综上所述，DSP芯片和相关技术在通讯系统中有着较为广泛的应用，这主要是因为DSP芯片有着高效率的数据处理能力。在语音压缩编码方面，应用DSP芯片能够让混合编码技术得以实现，保证语音压缩的质量和效率；在无线电通信上，DSP芯片还能高效率的进行模数转换和信号实时处理，为无线电多功能模块的实现奠定了基础。目前DSP芯片在4G通信领域中得到了广泛的应用，并且我国5G通讯的研发也离不开该技术的应用，推动DSP芯片技术的发展，有助于我国电子通讯领域的建设。

参考文献

1. 吴磊. 浅谈选择数字信号处理器的方法[J]. 电脑与电信. 2011(01)
2. 马强,周乐. 一种自主可控DSP用的定时器硬件设计[J]. 中国集成电路. 2021(05)
3. 韩超. 试论DSP的发展及其在通信工程中的应用[J]. 中国新通信. 2017(09)