关于DSP数字信号处理技术
來源：東興證券，謝謝
DSP 即數(shù)字信號處理技術(shù)， DSP 芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)的芯片。 DSP芯片是一種快速強大的微處理器，獨特之處在于它能即時處理資料。 DSP 芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 在當今的數(shù)字化時代背景下， DSP 己成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領域的基礎器件。
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DSP 芯片的誕生是時代所需。 20 世紀 60 年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。在 DSP 芯片出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠微處理器來完成。但由于微處理器較低的處理速度不快，根本就無法滿足越來越大的信息量的高速實時要求。因此應用更快更高效的信號處理方式成了日漸迫切的社會需求。
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上世紀 70 年代， DSP 芯片的理論和算法基礎已成熟。但那時的 DSP 僅僅停留在教科書上，即使是研制出來的 DSP 系統(tǒng)也是由分立元件組成的，其應用領域僅局限于軍事、航空航天部門。
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1978 年， AMI 公司發(fā)布世界上第一個單片 DSP 芯片 S2811，但沒有現(xiàn)代 DSP芯片所必須有的硬件乘法器；
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1979 年， 美國 Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個主要里程碑，但其依然沒有硬件乘法器；
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1980 年，日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一個具有硬件乘法器的商用 DSP芯片，從而被認為是第一塊單片 DSP 器件。
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DSP 芯片的誕生過程
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1982 年世界上誕生了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列產(chǎn)品。這種 DSP 器件采用微米工藝 NMOS 技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比微處理器快了幾十倍。 DSP 芯片的問世是個里程碑，它標志著 DSP 應用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進了一大步。至 80 年代中期，隨著 CMOS 工藝的 DSP 芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎。
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80 年代后期，第三代 DSP 芯片問世。 運算速度進一步提高，其應用范圍逐步擴大到通信、計算機領域；
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90 年代 DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 DSP 芯片。 第五代與第四代相比系統(tǒng)集成度更高，將 DSP 芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。
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進入 21 世紀后，第六代 DSP 芯片橫空出世。第六代芯片在性能上全面碾壓第五代芯片，同時基于商業(yè)目的的不同發(fā)展出了諸多個性化的分支，并開始逐漸拓展新的領域。
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DSP 芯片的應用領域
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DSP 芯片強調(diào)數(shù)字信號處理的實時性。 DSP 作為數(shù)字信號處理器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用于專用處理器的高速實時處理。 它具有高速，靈活，可編程，低功耗的界面功能，在圖形圖像處理，語音處理，信號處理等通信領域起到越來越重要的作用。
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DSP芯片在市場上的應用情況
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應用 DSP 的領域較多， 未來新應用領域有望層出不窮。 根據(jù)美國的權(quán)威資訊公司統(tǒng)計，目前 DSP 芯片在市場上應用最多的是通信領域， 占 56.1％；其次是計算機領域，占 21.16％；消費電子和自動控制占 10.69％；軍事／航空占 4.59％；儀器儀表占 3.5％；工業(yè)控制占 3.31％；辦公自動化占 0.65％。
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DSP芯片的應用領域
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1）DSP 芯片在多媒體通信領域的應用。?
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媒體數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的信息量是巨大的，多媒體網(wǎng)絡終端在整個過程中需要對獲取的信息量進行快速分析和處理，因此 DSP 被運用在語音編碼，圖像壓縮和減少語音通信上。如今 DSP 對于語音解碼計算產(chǎn)生實時效果，設計協(xié)議要求已經(jīng)成為最基本的一條國際標準。
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2）DSP 芯片在工業(yè)控制領域的應用。?
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在工業(yè)控制領域， 工業(yè)機器人被廣泛應用，對機器人控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高。機器人控制系統(tǒng)重中之重就是實時性，在完成一個動作的同時會產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)和計算處理，這里可以采用高性能的 DSP。 DSP通過應用到機器人的控制系統(tǒng)后，充分利用自身的實時計算速度特性，使得機器人系統(tǒng)可以快速處理問題，隨著不斷提高 DSP 數(shù)字信號芯片速度，在系統(tǒng)中容易構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡，大大提高控制系統(tǒng)的性能，使得機器人系統(tǒng)得到更為廣泛的發(fā)展。
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3）DSP 芯片在儀器儀表領域的應用。?
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DSP 豐富的片內(nèi)資源可以大大簡化儀器儀表的硬件電儀路，實現(xiàn)儀器儀表的 SOC 設計。器儀表的測量精度和速度是一項重要的指標，使用 DSP 芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項指標大大提高。例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 內(nèi)核，12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，豐富的片上存儲器和靈活的指揮系統(tǒng)，為高精密儀器搭建了廣闊的平臺。高精密儀器現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為 DSP 的一個重要應用，正處于快速傳播時期，將推動產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
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美國德州儀器公司的 TMS320 芯片
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3）DSP 芯片在汽車安全與無人駕駛領域的應用。?
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汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達起來，諸如裝設紅外線和毫米波雷達，將需用 DSP 進行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點。而且，利用攝像機拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 DSP 處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。
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4）DSP 芯片在軍事領域的應用。?
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DSP 的功耗低、體積小、實時性反應速度都是武器裝備中特別需要的。如機載空空導彈，在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測儀和相應的 DSP信號處理器等部分，完成目標的自動鎖定與跟蹤。先進戰(zhàn)斗機上裝備的目視瞄準器和步兵個人攜帶的頭盔式微光儀，需用 DSP 技術(shù)完成圖像的濾波與增強，智能化目標搜索捕獲。 DSP 技術(shù)還用于自動火炮控制、巡航導彈、預警飛機、相控陣天線等雷達數(shù)字信號處理中。
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高端市場被國外公司壟斷
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目前， 世界上 DSP 芯片制造商主要有 3 家：德州儀器（TI）、 模擬器件公司（ADI）和摩托羅拉（Motorola） 公司，其中 TI 公司獨占鰲頭， 占據(jù)絕大部分的國際市場份額， ADI 和摩托羅拉公司也有一定市場。
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德州儀器公司（TI） 是 DSP 業(yè)界公認的龍頭老大， 公司在 1982 年成功推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32010，由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的 DSP 系列處理器。?
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在 TI公司主打的三個系列中， c2000 系列現(xiàn)在所占市場份額較小，如今 TI 官網(wǎng)上的 DSP產(chǎn)品主要以 c6000 與 c5000 為主。 TI 的三大主力 DSP 產(chǎn)品系列為 C2000 系列主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)； C5000（C54x、 C55x）系列主要用于低功耗、便攜的無線通信終端產(chǎn)品； C6000 系列主要用于高性能復雜的通信系統(tǒng)。 C5000 系列中的TMS320C54x 系列 DSP 芯片被廣泛應用于通信和個人消費電子領域。
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C6000 系列主打產(chǎn)品為： C6000 DSP+ARM 處理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7)； C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)
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C5000 系列主打產(chǎn)品為： C55x 超低功耗 DSP，為超低功耗的緊湊型嵌入式產(chǎn)品提供高效的信號處理。
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TI 公司的 DSP 產(chǎn)品主要應用范圍在機器視覺、航空電子和國防、尺寸、重量和功耗（SWAP）、音頻、視頻編碼/解碼與生物識別領域。
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TI 公司官網(wǎng)上的主打的四款 DSP 芯片產(chǎn)品
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目前， ADI 公司有六款主打產(chǎn)品，分別應用在語音處理、圖像處理、過程控制、測控與測量等領域。
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ADI 公司主打 DSP 產(chǎn)品及應用領域
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摩托羅拉公司也是全球較大的 DSP 芯片生產(chǎn)商，其產(chǎn)品包括定點的和浮點的，專用的和通用的， 16 位和 24 位以及 32 位。 DSP 芯片主要應用于語音處理、通信、數(shù)字相機、多媒體、控制等領域。 主打產(chǎn)品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。
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未來 DSP 技術(shù)將向以下幾個方面繼續(xù)發(fā)展與更新：
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1）DSP 芯核集成度越來越高。
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縮小 DSP 芯片尺寸一直是 DSP 技術(shù)的發(fā)展趨勢，當前使用較多的是基于 RISC 結(jié)構(gòu)，隨著新工藝技術(shù)的引入，越來越多的制造商開始改進DSP 芯核，并且把多個 DSP 芯核、 MPU 芯核以及外圍的電路單元集成在一個芯片上，實現(xiàn)了 DSP 系統(tǒng)級的集成電路。
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2）可編程 DSP 芯片將是未來主導產(chǎn)品。?
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隨著個性化發(fā)展的需要， DSP 的可編程化為生產(chǎn)廠商提供了更多靈活性，滿足廠家在同一個 DSP 芯片上開發(fā)出更多不同型號特征的系列產(chǎn)品，也使得廣大用戶對于 DSP 的升級換代。 例如冰箱、洗衣機，這些原來裝有微控制器的家電如今已換成可編程 DSP 來進行大功率電機控制。
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3）定點 DSP 占據(jù)主流。
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目前，市場上所銷售的 DSP 器件中，占據(jù)主流產(chǎn)品的依然是16 位的定點可編程 DSP 器件，隨著 DSP 定點運算器件成本的不斷低，能耗越來越小的優(yōu)勢日漸明顯，未來定點 DSP 芯片仍將是市場的主角。
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FPGA芯片與DSP芯片的相愛相殺
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FPGA 即現(xiàn)場可編程門陣列， 它是作為專用集成電路（ASIC） 領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 有了 FPGA 芯片， 可以用程序編一個新發(fā)明的 CPU 內(nèi)核出來，嵌到 FPGA 芯片中去， 并且可以嵌入多個。
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FPGA的基本架構(gòu)
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國際 FPGA 市場被四大巨頭壟斷， 分別是賽靈思、阿爾特拉、美高森美以及萊迪思。阿爾特拉和賽靈思是 FPGA 的發(fā)明者，其中阿爾特拉于 1983 年發(fā)明世界上第一款可編程邏輯器件，賽靈思于 1985 年公司推出的全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064。 根據(jù)2017 年公司財務數(shù)據(jù)統(tǒng)計，賽靈思營收 23.49 億美元， 阿爾特拉（被英特爾收購）為 19.02 億美元，美高森美 FPGA 業(yè)務為 4.21 億美元，萊迪思為 3.86 億美元。 賽靈思和阿爾特拉兩家公司幾乎占據(jù)了整個國際市場的 90%。
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2017 年 FPGA 四巨頭市場占有率
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FPGA 芯片與 DSP 芯片是有區(qū)別的。 DSP 是專門的微處理器，適用于條件進程，特別是較復雜的多算法任務。 FPGA 包含有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設計，同時還包含有相當數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器， FPGA又能完成復雜的時序邏輯功能。
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2016 年 FPGA 芯片的應用領域
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FPGA 芯片與 DSP 芯片是有區(qū)別的。 DSP 是專門的微處理器，適用于條件進程，特別是較復雜的多算法任務。 FPGA 包含有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設計，同時還包含有相當數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器， FPGA又能完成復雜的時序邏輯功能。
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DSP 芯片的通用性相對弱， FPGA 則通用性更強；
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DSP 具有軟件的靈活性， 而 FPGA 具有硬件的高速性；
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DSP 對較低速的事件串聯(lián)執(zhí)行， 但是處理前可能會有些時延， 而 FPGA 不能處理多事件， 因為每個事件都有專用的硬件， 但是采用這種專用硬件實現(xiàn)的每個事件的方式可以使各個事件同時執(zhí)行；?
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DSP 是按照指令的順序流來編程的，而 FPGA 是以框圖方式編程的， 這樣很容易看數(shù)據(jù)流。
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FPGA 芯片與 DSP 芯片的比較
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在既強調(diào)結(jié)構(gòu)靈活、 通用性，以及處理復雜算法的需求下，往往將 DSP 和 FPGA 聯(lián)合起來，采用 DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)， 或者將 DSP 模塊嵌入的 FPGA 芯片中，這也是未來設計的一種趨勢。
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告別無“芯”之痛， 國產(chǎn) DSP 獲突破
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“核高基”重大專項從國家層面大力推動國產(chǎn)高端芯片的研發(fā)。 2006 年，國務院頒布了《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006 年-2020 年）》，“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產(chǎn)品”（簡稱“核高基重大專項”）位列 16 個科技重大專項首位，也被稱之為“01 專項”。
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專項的實施極大地提升了我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。 2001~2016 年間，我國集成電路市場規(guī)模由 1260 億元增加至約 12000 億元，占全球市場份額的將近 60%，產(chǎn)業(yè)銷售額擴大超過 23 倍，由 188 億元擴大至 4336 億元。國內(nèi)對 DSP 方面的研究起步較晚，但是發(fā)展較快。 中電科 14 所承擔起研發(fā) DSP 芯片的任務。?
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10 年磨一劍， 14 所跟龍芯公司、清華大學合作開發(fā)國產(chǎn) DSP 芯片華睿 1號在 2012 年通過核高基專項組驗收。華睿 1號成功應用于 14所十多型雷達產(chǎn)品中，創(chuàng)造了國產(chǎn)多核 DSP 芯片產(chǎn)品應用的“三個之最”： 雷達裝備應用型號最多、單臺套應用數(shù)量最多和總應用數(shù)量最多。 目前， 華睿 2 號已成功研制出，并已經(jīng)通過所內(nèi)測試，并將很快推向市場。 下一步， 14 所計劃將在華睿 3 號上采用更為先進的制造工藝，進一步提高主頻， 提高通用性能， 在專用性能方面采用流處理器方式，提高專用計算的性能，同時降低功耗。
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“華睿 1 號”代表國內(nèi) DSP 芯片工藝最高水平。 在處理系統(tǒng)設計方面采用了 DSP 和CPU 多核架構(gòu)設計技術(shù)， 實測表明， “華睿 1 號”的處理能力和能耗具有明顯優(yōu)勢，運行多任務實時操作系統(tǒng)十分穩(wěn)定，芯片的整體技術(shù)指標達到或優(yōu)于國際同類產(chǎn)品水平。華睿 1號填補了我國在多核DSP領域的空白，對提高我國高端芯片的自主研發(fā)能力、提升我國電子整機裝備研制水平、保障國家信息安全等方面具有重大意義與影響。
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華睿芯片
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魂芯 1 號是由中國電子集團第 38 所吳曼青團隊研制成功的， 2012 年完成測試。 魂芯一號（BWDSP100） 是一款 32 位靜態(tài)超標量處理器， 屬于 DSP 第二發(fā)展階段的產(chǎn)品。該芯片基于 55nm 制作工藝實現(xiàn)的，具有完全自主知識主權(quán)。
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魂芯一號
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魂芯 1 號達到國際主流 DSP 芯片水平，與美國模擬器件公司（ADI） TS201 芯片新能相近。 TS201 是 ADI 公司的一款主流 DSP 芯片， 它集成了定點和浮點計算功能的高速 DSP。該處理器廣泛應用于視頻、通信市場和國防軍事裝備中，適合于大數(shù)據(jù)量實時處理的應用領域。
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魂芯 1 號與 TS201 特性對比
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魂芯 1 號是一款高性能通用 DSP，可廣泛應用于各類高性能信號處理領域， 典型的整機裝備應用包括雷達、聲納、電子對抗等。
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魂芯 2 號 A 剛剛發(fā)布， 單核性能超過當前國際同類芯片性能 4 倍。 2018 年 4 月 23日， 中國電科 38 所發(fā)布了 魂芯 2 號 A， 該芯片采用全自主體系架構(gòu)，研發(fā)歷時 6年， 相對于魂芯 1 號，魂芯 2 號 A 性能提升了 6 倍，通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統(tǒng)等手段，使器件性能千億次浮點運算同時，具有相對良好的應用環(huán)境和調(diào)試手段；單核實現(xiàn) 1024 浮點 FFT （快速傅里葉變換）運算僅需 1.6 微秒，運算效能比德州儀器公司 TMS320C6678 高 3 倍，實際性能為其 1.7 倍，器件數(shù)據(jù)吞吐率達每秒 240Gb。
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DSP 芯片在民用信息領域市場空間巨大
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DSP 芯片支持通信、計算機和消費類電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合。在無線領域 DSP 遍及無線交換設備、基站和手持終端； 在網(wǎng)絡領域， DSP 涵蓋從基礎設施到寬帶入戶設備， 包括 IP 網(wǎng)關和 IP 電話和電纜調(diào)制解調(diào)器等。隨著中國數(shù)字消費類產(chǎn)品需求的大幅增長，以及 DSP 對數(shù)字信號高速運算與同步處理能力的提高， DSP 的應用領域?qū)⒅饾u從移動電話領域擴展到新型數(shù)字消費類領域，從而應用領域橫跨 3C，且分布將日趨均衡。
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DSP 芯片在智能手機中扮演重要角色。 DSP 芯片可以為移動電話帶來更好的語音、音頻、圖像體驗，可以極大提升手機單項功能的能力， 讓手機運行速度更快。由于DSP 具有強大的計算能力，使得移動通信的蜂窩電話迅速崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、 CDMA 等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)。同時 DSP 芯片是移動電話等電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要決定因素。工信部數(shù)據(jù)顯示， 2017 年，移動電話用戶凈增 9555 萬戶，總數(shù)達 14.2 億戶，移動電話用戶普及率達 102.5 部/百人，比上年提高 6.9 部/百人， 移動電話需求量的穩(wěn)步上升將引致 DSP 芯片等集成電路的大量需求。
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2000~2017 年固定電話、移動電話用戶發(fā)展情況
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移動寬帶需求量與 DSP 需求量呈正向變動。 基于 DSP 的 ADSL 和 HFC 作為兩種最常用的寬帶接入技術(shù)，同時，基于 DSP 的通用系統(tǒng)可以實現(xiàn)無線接入點通信系統(tǒng)，具有較好的開放性， 配置靈活， 可擴展性強，因此移動寬帶需求量與 DSP 需求量呈正向變動。截止 2017 年年底，三家基礎電信企業(yè)的固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶總數(shù)達3.49 億戶，全年凈增 5133 萬戶。移動寬帶用戶（即 3G 和 4G 用戶）總數(shù)達 11.3 億戶，全年凈增 1.91 億戶，占移動電話用戶的 79.8%。隨著移動寬帶的普及推廣未來DSP 市場需求可期。
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2000~2017 年移動寬帶用戶 3G、 4G發(fā)展情況
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IPTV 等數(shù)字消費類產(chǎn)品的需求日益擴張，新型數(shù)字消費領域 DSP 芯片未來市場需求可期。 基于 DSP＋FPGA 的網(wǎng)關實現(xiàn)方案可以將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換為組播信號， 實現(xiàn)有線電視業(yè)務與電話語音業(yè)務、計算機互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的融合。近年來，國家大力出臺扶持政策、加快培育新興 IPTV、物聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭等業(yè)務。 2017 年末， IPTV 用戶數(shù)達到 1.22 億戶，全年凈增 3545 萬戶。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的关于DSP数字信号处理技术的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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