| 单词 | DSP与通信工程 |
| 释义 | 【DSP与通信工程】 随着数字信号处理理论和应用的飞速发展，迫切需要更好的芯片和系统。经过微电子学专家、信号处理专家和计算机专家的合作努力，一种体现3个学科综合科研成果的新器件DSP(数字信号处理器)问世了。它的特点是：片内配置了硬件乘法器，能在一个指令周期内完成乘加运算，它的内部操作采用了时间上重叠的流水管线结构，大大地提高了运算速度，并按照数字信号处理基本算法的要求，设计了一些功能很强的专用指令。因此用它来处理数字信号时，其速度要比通用微机(例如PC－XT，PC－AT)快2～3个数量级。目前世界上一些著名的电子公司，都生产了自己设计的DSP芯片、系统和相应的开发工具。在众多的产品中，Texas公司的TMS320系列种类较齐全、硬软件支持较丰富、影响较大。该公司已经推出的产品有TMS320C1X、TMS320C2X、TMS320C3X、TMS320C4X、TMS320C5X等。TMS320C1X的产品已有10种，指令周期从160ns～280ns，而且在软件上都是兼容的，以便派生新产品。TMS320C15和TM320C17提供了扩展的ROM和RAM，以便片内有更多的程序存贮器和数据存贮器。TMS320C14称为微控制器，它把DSP的高性能和微控制器和丰富外围结合起来，在片外围包括：带有同步和非同步操作的串行口、16位可以选择的I／O插针、两个定时器、一个波特率发生器和一个事件管理器。TMS320E15、TMS320E17、TMS320E14带有容量为4k的片内EPROM，它支持原型和早期产品的实时软件开发。 TMS320C2X是第2代定点DSP，速度是TMS320C1X的2～4倍，它和第一代器件在软件上是向上兼容的，并具有更大的灵活性、更强的编程能力、更多的在片存贮器，还有多处理器接口、串行口、定时器和较大的寻址范围(128k字)，指令周期从80ns～100ns，TMS320C26提供了1．5k×16的在片数据RAM和256×16的程序ROM。TMS320E25的4k×16EPROM放在16×4k程序ROM的位置。TMS320C3X是浮点处理器，具有33MFLOPS的运算能力，达到了超级计算机的性能级，它的片内有2k×32数据RAM，4k×32程序ROM，一个DMA控制器，一个指令缓冲存贮器(64字)，两个串行口和两个定时器。TMS320C3O是一个浮点DSP，数字不需要定标，寻址空间为16M×32，开发可使用C语言编译器，因此开发软件非常方便。TMS320C4X是下一代浮点TMS320DSP，软件和TMS320C3X兼容，它具有更高的性能和更强的系统组合能力，以满足最新数字信号处理的需要。TMS320C5X是更高速度的定点运算芯片，每秒能达到20MIPS或28．6MIPS，它的片内有8k×16程序或数据RAM，544×16双寻址数据RAM和2k×16程序ROM，还有串行口、定时器和软件控制的等待状态发生器等。它和TMS320C1X、TMS320C2X的软件是向上兼容的。各种设计方案，可以在机器没有作成之前在计算机上用高级语言作非实时的模拟，并进行比较，以得出最佳方案和最佳设计参数。信号加工与处理过程中的中间结果，可以有选择地打印出来，以便仔细分析研究，帮助研究人员观察和发现问题，找到改进方案和优化程序的途径。程序调测过程中的经验和中间结果，还可为用汇编语言写程序提供准备和参考。开发工作的第二步应该是在DSP开发系统上，对选用的方案进行实时模拟。设计者只需要根据所选方案选定DSP系统板的类型，在PC机(XT、286，386或兼容机)上就能完成方案的实时模拟。最后阶段是形成产品，有了上面的工作基础，则用DSP构成专用硬件以及软件固化，系统调试和脱机运行就比较容易了。软件开发工具通常有：宏汇编器／连接器、非实时仿真器、C语言编译器等。硬件开发工具通常有：实时仿真器或称在线仿真器、DSP开发／高速处理多功能系统、通用DSP用户系统等。中国科学院声学研究所是国内最早从事数字信号处理研究的单位之一。曾使用过不同类型的DSP芯片，经过比较和实践，最后选定了Texas公司的TMS320系列。并研制了多种DSP开发／高速处理系统，最近又研制成功先进的浮点信号处理器TMS320C30－A型开发／高速处理插件板和相应软件，并用这些工具开发了一些科研产品和工业产品，具有丰富的硬软件设计、综合调试、程序固化、脱机运行等经验。该所设计的开发／高速处理系统采用模块式结构，硬件使用不同类型插件都能插进IBMPC机或兼容机的插槽中，软件按功能分成多种软件包，用户可根据自己要求，用这些硬件和软件组成一个功能完备的系统。该系统具有如下多种功能：(1)TMS320系列硬件和软件开发，在IBM－PC微机或兼容机上，加上一块TMS320开发／高速处理插件板，并配以相应的软件包，就可以对用户自己设计的程序进行编辑、汇编、连接、非实时仿真和实时仿真等项工作(TMS320C25和TMS320C30还可以直接用C语言开发程序)。开发硬件时，需要用短的扁电缆将用户系统连接到开发板上，并配以双线示波器或逻辑分析仪，可用自己编写的一些调试程序来检查用户系统故障。TMS320C25和TMS320C30主振频率较高，需要使用专门设计的用户系统板。(2)声频或超声频数据采集。TMS320系列的开发／高速处理板上都配备了一路或二路12位A／D、D／A或一路14位A／D、D／A，所以不需要再用专门模数转换板，就能完成数据采集和回放。数据采集有两种方式：其一是使用中断子程序，进行实时采集与处理。其二是形成一个数据文件，保存在PC微机的硬盘或软盘中。(3)加快PC微机的运算速度。在数字通信和信号处理等工程中，经常要用到卷积、滤波、快速付氏变换，希尔伯特变换、矩阵求逆等运算方法，而PC微机速度太慢，难以胜任。在本系统中PC微机可以和高速处理板构成主／从系统，而双端口存贮器又能实现二者之间的高速数据交换。因此可以把PC机的灵活性和DSP的高速处理能力结合起来，以加快系统的运算速度和对数据的吞吐能力。④数字通信终端方案和算法的实时模拟。很多通信终端设备，都可以在机器尚末制成之前，利用本系统所具有的资源和硬件环境，加上适当外围设备(例如电话手机、传真机等)对方案进行实时模拟。如果资源和运算速度不够，可选用档次更高的高速处理板，待软件优化完毕，性能指标满足要求以后，再研制正式样机，这样可加快研制周期并降低成本。DSP在通信工程领域应用很广，主要有如下方面：快速傅里叶变换、希尔伯特变换、数字滤波、自适应滤波、语言信号编解码、图像的传输和压缩、信号的回波抵消、调制解调器、自适应均衡、数据的加密和脱密、数字话音插空以及通道的多路切换等。用DSP实现无线短波信道的高速数据传输(HFMODEM)是目前数字通信领域研究的热门课题之一。由于无线电短波信道存在着时间色散、频率色散和加性高斯噪声等因素，使得HFMODEM的设计和实现存在较多困难。目前有两种体制最受重视。(1)频域法：同时发许多个较长的窄带正交音，每个音的持续时间等于信道脉冲响应的几个时间扩展长度。由于多音并发技术能正确选通接收波形，因而交叉符号干扰得到抑制。多音并发技术对克服多径效应和频率扩展有较好的效果。(2)时域法：即通过时域均衡来抑制交义符号干扰和频率串扰。自从M．M．GOUTMANN和G．D．FORNEY等于70年代初从理论上论证了在HF信道上实现单音串行高速数传的可能性以来，人们竞相探讨各种实现技术，1974年Godard把卡尔曼滤波理论创造性地应用于短波信道自适应均衡，为短波信道高速数据传输的实现带来了新的曙光。目前国外已研制出多种实验系统、样机，并且也有一些产品问世。其性能优于多路并发体制。串行HFMODM在国内还没有形成产品，有好几家都还在研制过程中。美国GTE公司的样机采用了卡尔曼(Kalman)均衡算法，并指出对35个抽头判决反馈均衡器采用平方根卡尔曼算法，每个符号的运量算约为：2206次复次乘法、1961次复数加法、36次实数求倒。这是速率为2400波特串行信号在信道多径扩展为7ms的估计值，而且是用1／2分数抽头，在一般情况下，DFE并不需要这么多抽头数目，运算量会小一些。TMS320C30的运算能力比GTE串行HFMODEM中的专用处理器运算能力强，灵活性高，而且是浮点运算，片内还有DMA控制器，二路定时器、二路串行收发接口等资源。因此使用1片或2片TMS320C30及TLC32044C等外围电路构成的系统，可以实时实现HFMODEM中调制和解调、卡卡曼自适应均衡、纠错编码等多项工作。这项研究工作目前还正在进行中。(中国科学院声学研究所李昌立研究员、陈希清副研究员撰) |
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