數(shù)字信號(hào)處理器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

曹璐

摘 要：數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是為處理運(yùn)算數(shù)字信號(hào)而研究開發(fā)的一種芯片，因其功能強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)、開放性高、可靠穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)領(lǐng)域，在以太網(wǎng)通信、音視頻壓縮編碼、軟件無線電、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，集成自動(dòng)化控制等技術(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)控制與通信雙重功能，是一種應(yīng)用前景極為廣闊的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；通信系統(tǒng)；應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是為處理運(yùn)算數(shù)字信號(hào)而研究開發(fā)的一種芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，指令系統(tǒng)強(qiáng)大，運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)流量大，對(duì)于通信系統(tǒng)質(zhì)量的提高有著重要作用，能夠處理運(yùn)算復(fù)雜的信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為簡單信號(hào)。DSP靈活性強(qiáng)，更新簡單，一般只需要升級(jí)軟件即可，硬件也能與不同軟件搭配，從而發(fā)揮不同功能，因此DSP被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在通信系統(tǒng)中與各種技術(shù)相結(jié)合，使通信方式多樣、靈活、穩(wěn)定、可靠。

1 DSP在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

DSP嵌入TCP/IP協(xié)議棧后，就能夠使網(wǎng)絡(luò)控制芯片和接口連接，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。以DSP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，主要是由網(wǎng)絡(luò)控制器連接DSP與網(wǎng)絡(luò)，從而使數(shù)據(jù)通信傳輸更為高速。這一通信系統(tǒng)硬件主要由DSP芯片以及網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成。DSP會(huì)對(duì)以太網(wǎng)的控制芯片中的所有寄存器發(fā)揮編程控制功能，并分組傳輸并接收數(shù)據(jù)。在協(xié)議棧的使用上，由于嵌入式系統(tǒng)存在一定的局限性、資源的有限性、功能的單一性、較高的針對(duì)性等，因此并不需要8位及16位系統(tǒng)也能夠完成數(shù)據(jù)通信，因此，可以采用低于6位或者16位的協(xié)議棧，如uIP，能夠?qū)崿F(xiàn)操作簡單性、資源占用率低等優(yōu)點(diǎn)。通過協(xié)議棧傳輸和接收數(shù)據(jù)，以DSP為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)就能夠從局域網(wǎng)接入高速網(wǎng)中，就能夠在多套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進(jìn)行通信。隨著DSP芯片技術(shù)的不斷提高，信號(hào)處理能力也在不斷提高，遠(yuǎn)程視頻網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也能夠在DSP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)。硬件上集合PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片及接口，軟件上以DSP/BIOS嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包、TCP/IP協(xié)議棧為主體，結(jié)合相應(yīng)的視頻壓縮編碼算法，數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)在數(shù)據(jù)層、傳輸層和應(yīng)用層上進(jìn)行傳輸。DSP作為視頻服務(wù)器，完成視頻采集、壓縮處理，PC機(jī)則通過視頻解碼播放工具，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信。

2、語音壓縮編碼

語音數(shù)據(jù)壓縮能夠通過較低的傳輸速率獲得較高質(zhì)量語音效果，語音信號(hào)在盡可能不降低信號(hào)質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)窄寬帶的信息傳輸。使用參數(shù)編碼方式時(shí)，根據(jù)語音發(fā)生機(jī)理，提取語音信號(hào)各種特征參數(shù)后再編碼，能夠有效降低編碼速率，效果以合成語音形式呈現(xiàn)，但質(zhì)量較差。波形編碼則適應(yīng)力更強(qiáng)、語音質(zhì)量更好，缺點(diǎn)在于編碼效率較低。隨著語音編碼技術(shù)的不斷突破，各種低碼率編碼標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，結(jié)合參數(shù)編碼及波形編碼兩種方式，合成混合編碼，就能夠?qū)崿F(xiàn)高語音質(zhì)量和低編碼率的雙重優(yōu)勢，以線性預(yù)測及碼激勵(lì)強(qiáng)行性預(yù)測兩種編碼為主要代表。語音處理使用的編碼算法越復(fù)雜，壓縮倍率也就越高，DSP能夠快速、經(jīng)濟(jì)地完成高質(zhì)量壓縮，處理后的合成語音能夠用于網(wǎng)絡(luò)會(huì)議以及監(jiān)控系統(tǒng)等各種重要場合。DSP廣泛應(yīng)用語音壓縮編碼算法，提高了語音編碼技術(shù)的簡單性與可靠性。

3、軟件無線電

軟件無線電作為一種新型無線通信技術(shù)，是通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及模式化硬件平臺(tái)，結(jié)合軟件編程完成無線電的相關(guān)功能，能夠使無線電技術(shù)擺脫硬件為依托、用途為導(dǎo)向的電臺(tái)設(shè)計(jì)工作，是一種功能軟件化技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中不需要使用太多硬件電路，能夠有效節(jié)約模擬環(huán)節(jié)。尋找最接近射頻天線的位置進(jìn)行數(shù)字化處理，采取A/D和D/A兩種模式通用、開放性強(qiáng)的硬件平臺(tái)，依托平臺(tái)運(yùn)作軟件技術(shù)，就能夠集成各種電臺(tái)功能模式，軟件升級(jí)的過程就是通信系統(tǒng)升級(jí)過程。DSP在這一系統(tǒng)中，通過高低速雙DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低速或高速處理。軟件無線電在工作時(shí)，信號(hào)在射頻或者中頻段就會(huì)作數(shù)字化處理，運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字濾波、數(shù)字視頻直接合成、數(shù)字下變頻、調(diào)制解調(diào)、編碼、指令控制、信道編碼以及加密解密等功能。接收過程中，會(huì)對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行無線電視頻處理及轉(zhuǎn)換，A/D寬帶對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，再由DSP對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理，得到需要的數(shù)據(jù)后，就能夠通過天線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端設(shè)備中。DSP硬件平臺(tái)以及算法是軟件無線電技術(shù)的關(guān)鍵，直接決定了軟件無線電的靈活度、開放度以及兼容度。DSP對(duì)電臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)以及編碼解碼等，電臺(tái)內(nèi)部包含大量數(shù)據(jù)，需要做濾波以及變頻等各種運(yùn)算，因此對(duì)于DSP的技術(shù)要求較高，需要處理器具備高速、實(shí)時(shí)以及并行等特點(diǎn)的模式，或者使用專用的集成電路完成運(yùn)算。不斷提高硬件運(yùn)行速度的同時(shí)還要擴(kuò)大芯片容量，針對(duì)處理器對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，硬件、軟件結(jié)合才能使數(shù)字信號(hào)處理不斷提高，確保電臺(tái)內(nèi)各軟件能夠高速運(yùn)行，功能切換更為靈活。軟件構(gòu)成一般由DSP可編程處理器以及現(xiàn)場可編程門陣列處理數(shù)字信號(hào)。軟件無線電技術(shù)有極大的優(yōu)勢，在第三代移動(dòng)通信技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著4G技術(shù)的到來，軟件無線技術(shù)已經(jīng)成為4G技術(shù)發(fā)展的橋梁。軟件無線電適用性廣，對(duì)于技術(shù)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的降低有著極好的作用，其開放性也更能兼容多個(gè)運(yùn)營商。DSP對(duì)于RF技術(shù)的不足有著極好的彌補(bǔ)作用，從而提高技術(shù)靈活性。由于軟件無線電系統(tǒng)的通用性、兼容性、模塊化、在線高速等優(yōu)勢，也逐步運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，對(duì)于多軍種通信的暢通性有著極大的優(yōu)勢。

4、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)即將需要傳輸?shù)男畔㈩l譜，使用特寫的函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展后，使信號(hào)頻譜轉(zhuǎn)變?yōu)閷掝l帶，再傳到信道中，并向接收端傳輸，接收端會(huì)采取措施壓縮信號(hào)，完成信息傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。這一技術(shù)的擴(kuò)展之處在于信息相同時(shí)，使用的射頻帶寬要高于普通調(diào)制所需帶寬。擴(kuò)頻信號(hào)的決定性因素并非帶寬，而是擴(kuò)頻函數(shù)。這一系統(tǒng)通過DSP芯片就能夠完成，這一系統(tǒng)有兩種形式：直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)，兩種形式都是以DSP芯片為基礎(chǔ)構(gòu)成，視頻發(fā)射后，DSP芯片就能夠?qū)崿F(xiàn)偽隨機(jī)碼發(fā)生器、信息編碼以及PSK調(diào)制的功能，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)使用同樣的仿隨機(jī)碼發(fā)生器，而PSK調(diào)制與信道編碼則是相對(duì)應(yīng)的。跳頻系統(tǒng)以集成了偽隨機(jī)碼發(fā)生器、信道編碼與PSK調(diào)制功能的DSP芯片為基礎(chǔ)，偽隨機(jī)碼發(fā)生器能夠通過頻率合成器發(fā)出跳變頻率，信道編碼能夠使用多種編碼，如RS碼、Turbo碼以及卷積碼等，以卷積碼利用率最高，交織使用其他編碼，能夠降低編碼出錯(cuò)率。接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)在構(gòu)成上相似度很高，添加同步電路，就能夠和發(fā)射系統(tǒng)偽隨機(jī)碼實(shí)現(xiàn)同步性，進(jìn)而通過頻率合成器生成和發(fā)射系統(tǒng)同步又一致的載波，經(jīng)過DSP芯片集成的功能通過PSK調(diào)制為信道譯碼后完成數(shù)據(jù)的輸出。

2 結(jié)語

DSP具有各種顯著的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展起到了重要作用。當(dāng)前，DSP技術(shù)、微控制器、通信系統(tǒng)相結(jié)合，已經(jīng)成為DSP應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向，如集成了控制和通信功能的電成像測井儀、船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)等的出現(xiàn)，對(duì)DSP應(yīng)用的深入發(fā)展指明了方向。此外，雙DSP、多DSP的應(yīng)用技術(shù)也在不斷出現(xiàn)。以DSP為內(nèi)核，結(jié)合各種邏輯及存儲(chǔ)器，就能夠設(shè)計(jì)出多樣的DSP方案，實(shí)現(xiàn)各種功能。

參考文獻(xiàn)

[1]劉愛輝， 馬英紅. 數(shù)字信號(hào)處理器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2005， 26（6）：42-45.

[2]常遠(yuǎn)， 王炳和. DSP在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 信息通信， 2006， 19（2）：46-48.

[3]李建霓. 淺談DSP在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科技資訊， 2007（18）：90.

[4]李柳嬋. DSP在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展， 2011（16）：36-37.

[5]岳世為， 尹為民. uIP協(xié)議棧在基于DSP以太網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程， 2010， 38（1）：186-189.