本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”，作者/豐寧。
和計算機一樣，數(shù)字信號處理的理論從60年代崛起以來，到80年代DSP產(chǎn)生，它飛速發(fā)展改變了信號處理的面貌。今天DSP已廣泛應(yīng)用在語音、圖像、通訊、雷達、電子對抗、儀器儀表等各個領(lǐng)域。DSP起了十分關(guān)鍵的作用，成為數(shù)字電路設(shè)計的主要方法。
那么DSP究竟發(fā)揮著哪些作用呢？
01
DSP的主要作用
數(shù)字信號處理器（DSP）是一類專門用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的半導(dǎo)體器件，其與CPU、GPU、FPGA并稱為“四大通用芯片”。
CPU（中央處理單元）是計算機體系結(jié)構(gòu)的核心，負責(zé)執(zhí)行程序中的指令；GPU（圖形處理器）是一種專門用于圖形渲染的處理器。FPGA是一種可編程邏輯器件，其內(nèi)部由多個邏輯門組成，可以通過編程實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能；而DSP擅長執(zhí)行大量的乘法和加法運算，通常用于實時信號處理、數(shù)字濾波、頻譜分析等領(lǐng)域。
在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求和場景，可以選擇合適的處理器架構(gòu)。例如，對于需要大量遞歸操作和不便拆分的算法，DSP可能是更好的選擇；對于需要大規(guī)模并行計算的任務(wù)，GPU可能更適合；而對于需要靈活性和可編程性的應(yīng)用，CPU可能是最佳選擇；FPGA則適用于需要大規(guī)模邏輯設(shè)計和實時性要求高的場景。
在實際工作中，DSP與ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）又有著緊密的關(guān)系。
ADC的主要作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在很多信號處理系統(tǒng)中，現(xiàn)實世界中的信號大多是模擬信號，如聲音、溫度、壓力等。而DSP只能處理數(shù)字信號。所以，ADC作為連接模擬世界和數(shù)字處理世界的橋梁，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，提供給DSP進行各種數(shù)字信號處理操作。
例如，在音頻處理系統(tǒng)中，麥克風(fēng)采集到的聲音信號是模擬信號，通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，DSP可以對其進行濾波、降噪、均衡等處理，以提升音頻質(zhì)量。
DAC的作用與ADC相反，它將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。當(dāng)DSP完成對數(shù)字信號的處理后，往往需要將處理后的信號輸出到模擬設(shè)備或系統(tǒng)中，這時就需要DAC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
例如，在數(shù)字音頻播放系統(tǒng)中，DSP對存儲的數(shù)字音頻文件進行解碼和處理后，通過DAC將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，再驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。
02
一些DSP芯片的實際應(yīng)用
20世紀(jì)70年代，DSP芯片處于理論先行的階段；20世紀(jì)80年代，DSP芯片處于產(chǎn)品普及的階段，第一代、第二代、第三代DSP芯片誕生，90年代是DSP發(fā)展最快的時期，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP芯片。
這些芯片在系統(tǒng)集成度、運算速度和應(yīng)用范圍上都有了顯著提升。第五代DSP芯片將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上，不僅在通信領(lǐng)域大顯身手，還逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM領(lǐng)域。
通信是DSP的一大應(yīng)用市場
隨著DSP技術(shù)的飛速進步，其在通信領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛且深入。無線通信網(wǎng)絡(luò)，如4G、5G乃至未來的6G技術(shù)，都高度依賴于DSP的高效運算與實時處理能力。
在無線通信基站中，DSP芯片作為核心處理單元，負責(zé)處理復(fù)雜的信號調(diào)制解調(diào)、信道編碼解碼、多用戶接入控制等關(guān)鍵任務(wù)。這些功能要求極高的計算速度和精度，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃?。DSP通過其強大的并行處理能力和優(yōu)化的算法庫，能夠?qū)崟r處理海量的數(shù)字信號，支撐起大規(guī)模用戶的高速數(shù)據(jù)通信需求。
DSP成為智能家電的加速器
DSP技術(shù)高效、靈活的特性也吸引了家電行業(yè)的目光。
在家電領(lǐng)域，DSP可實現(xiàn)各種音效處理、音量控制、降噪、回聲消除等功能，提升智能音箱的音頻質(zhì)量和語音識別效果；還可以用于處理電視音頻信號，實現(xiàn)音效增強、均衡等功能；在抽油煙機中，加入DSP語音芯片后，抽油煙機不僅能夠在燃氣泄漏時進行真人語音報警，還能為老人、視力不好的群體提供便利；此外，DSP還可以幫助具備遠場語音控制功能的家電實現(xiàn)更遠距離的語音接收和識別，并進行降噪處理。
DSP在工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)揮更大作用
早期DSP在工業(yè)中的應(yīng)用，主要集中在提高工業(yè)設(shè)備的控制精度和響應(yīng)速度，例如在電機控制、電力電子變換、運動控制、過程控制等領(lǐng)域。DSP芯片能夠?qū)崟r處理復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)精準(zhǔn)的閉環(huán)控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
在現(xiàn)在工業(yè)自動化應(yīng)用中，DSP芯片正在發(fā)揮更大的作用。比如在變頻器、伺服驅(qū)動器等應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)MCU方案，DSP能實現(xiàn)更精確、更快的電機速度控制、轉(zhuǎn)矩控制及能量優(yōu)化。例如用于電梯門控器和曳引機等場景，可以保障電梯穩(wěn)定、高效運行；在地鐵門控制中，采用DSP全數(shù)字控制技術(shù)的電子門控器，可集成車門的控制、監(jiān)測、診斷、自學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，保障車輛運營安全。
汽車漸成DSP新應(yīng)用市場
從分布式向集中式演進，汽車的電子電器架構(gòu)日益被分為五大功能域——動力域、底盤域、車身域、座艙域和自動駕駛域，各自實現(xiàn)基本功能。在動力域，DSP可以實現(xiàn)對主電機、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機OBC的控制等。憑借數(shù)據(jù)和程序相互獨立的總線結(jié)構(gòu)、獨特指令集和豐富數(shù)模外設(shè)資源，DSP在同等主頻下能大幅提升算力，實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，保證實時性能。
車身域也是汽車電子系統(tǒng)重要的組成部分，包含汽車門窗、燈光、雨刮、電動座椅、空調(diào)控制等與車內(nèi)駕乘體驗息息相關(guān)的應(yīng)用，散熱風(fēng)扇控制、油泵/水泵控制等混動汽車安全控制相關(guān)的電機應(yīng)用，均需要進行實時的采集外部信號、實現(xiàn)復(fù)雜電機計算和相應(yīng)控制，DSP芯片也非常適合使用在這些場景當(dāng)中。
03
DSP芯片，國產(chǎn)方案不斷涌現(xiàn)
從世界上第一顆DSP誕生至今30年來，國際一線老牌芯片廠商長期占據(jù)領(lǐng)先技術(shù)和市場地位，主要廠商有3家：TI、ADI和摩托羅拉，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。
中國的DSP芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，但同時中國也是全球DSP芯片最大的應(yīng)用市場。據(jù)悉，2022年我國DSP芯片需求量約為4.7億顆，然而這一年中國DSP芯片的產(chǎn)量僅有4755.7萬顆。人工智能、語音識別、5G基站通訊領(lǐng)域等快速擴張，中國對于DSP芯片的整體需求也在快速上漲。
近年來，政府出臺了一系列有利于DSP芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。政府還積極推動DSP芯片行業(yè)的數(shù)字化融合，促進計算機、通信和消費類電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合發(fā)展，為DSP芯片提供了進一步的發(fā)展機會。
與此同時，國內(nèi)DSP芯片制造商正穩(wěn)步前行，在技術(shù)創(chuàng)新與市場開拓上不斷取得突破，有效削弱了國際市場的壟斷格局，提升國產(chǎn)芯片的市場占有率與競爭力。
目前，國內(nèi)DSP芯片廠商主要有中電14所、中電38所、湖南進芯電子、中科昊芯、北京中星微電子等。
進芯電子已推出多款新能源汽車解決方案
2012年成立的湖南進芯電子，6年間不斷突破技術(shù)壁壘，于2018年正式推出自研DSP進入工控市場，填補了國內(nèi)空白。如今進芯電子已成為國內(nèi)DSP產(chǎn)品線最為豐富的廠商之一，主要用于工業(yè)控制、新能源、電動汽車以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。
針對汽車應(yīng)用，進芯推出了符合IATF16949，AEC-Q100 Grade1標(biāo)準(zhǔn)的強大產(chǎn)品陣容，包括：32位浮點高性能DSP芯片AVP32F335系列，32位定點實時控制DSP芯片ADP32F034、ADP32F035系列，32位定點車身控制DSP芯片ADP32F036、ADM32F036系列,16位定點高性價比DSP芯片ADM16F03系列；全面匹配電動汽車從動力域到車身域的多種應(yīng)用。
解決方案方面，例如在新能源汽車動力系統(tǒng)中，AVP32F335系列芯片可以實時采集電機的運行數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)字信號處理算法，快速準(zhǔn)確地計算出控制指令，實現(xiàn)對電機的精確調(diào)速和扭矩控制，從而提高汽車的動力性能和能源利用效率。同時，它還可以對電池管理系統(tǒng)進行監(jiān)控和優(yōu)化，確保電池的安全和長壽命使用。在家電產(chǎn)品中，可用于空調(diào)的變頻控制，實現(xiàn)更節(jié)能、更精準(zhǔn)的溫度調(diào)節(jié)。
為了讓汽車空調(diào)實現(xiàn)快速啟動、速冷速熱、運行穩(wěn)定、節(jié)能靜音等功能，進芯電子推出汽車空調(diào)壓縮機方案。該方案以進芯32位DSP車規(guī)芯片ADP32F035BQ為控制核心，以針對汽車空調(diào)壓縮機的自研無感FOC控制算法，能夠很好的觀測負載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，具有啟動快速可靠、低速大扭矩、高速運行平穩(wěn)、噪聲小、效率高等特點。
隨著汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”的加深，風(fēng)扇、冷卻液泵等車載小型設(shè)備的電氣化控制也在不斷推進。電子風(fēng)扇幫助內(nèi)燃機、電池等發(fā)熱設(shè)備進行散熱，是車載熱管理系統(tǒng)中的重要一環(huán)。
目前電子風(fēng)扇市場大多使用小型無刷直流電機驅(qū)動解決方案，為此，進芯電子推出了功率400W-12V/600W-24V電子風(fēng)扇解決方案。該方案采用PWM/LINK通訊方式進行調(diào)速和故障反饋，使用單電阻弦波方案，具有順逆風(fēng)啟動、電路簡單、控制穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點。電子風(fēng)扇方案以進芯ADM16F03A2 DSP作為主控芯片。
中科昊芯致力于RISC-V DSP芯片研發(fā)
中科昊芯的RISC-V DSP芯片HXS320F280039C、HXS320F28379D等產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：采用了RISC-V指令集架構(gòu)，解決了DSP芯片知識產(chǎn)權(quán)和生態(tài)壁壘的問題；其數(shù)學(xué)優(yōu)化型內(nèi)核在矢量計算/變換、三角函數(shù)、數(shù)字微積分、浮點計算方面的速度較國外同類型號產(chǎn)品可實現(xiàn)50%至110%的提升；構(gòu)建了完整的RISC-V DSP集成開發(fā)環(huán)境，并自研了HawkING IDE開發(fā)工具以及多樣化的flash下載工具，能夠給客戶提供完整的算法庫、驅(qū)動庫，幫助客戶降低遷移成本、縮短開發(fā)周期。
這些芯片可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、儲能及光伏、白色家電、數(shù)字電源等市場。在新能源汽車領(lǐng)域，可用于電機控制、電池管理等系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛動力的精確調(diào)控和能源的高效利用；在儲能及光伏系統(tǒng)中，有助于提高能源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在白色家電方面，可提升家電的智能化控制水平和性能；在數(shù)字電源領(lǐng)域，能夠優(yōu)化電源的輸出質(zhì)量和效率。
例如在光伏及儲能逆變器中，HXS320F280039C芯片可以快速處理和分析大量的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT），提高能源轉(zhuǎn)換效率。在白色家電中，如空調(diào)、冰箱等產(chǎn)品，通過該芯片可以實現(xiàn)更精確的溫度控制、節(jié)能管理和智能化運行模式。
以其在白色家電中的應(yīng)用為例，具體產(chǎn)品如智能空調(diào)，利用中科昊芯DSP芯片的快速運算能力和精準(zhǔn)控制特性，實現(xiàn)更精確的溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)速控制以及節(jié)能運行，提升用戶的舒適度和空調(diào)的能效比。同時，其豐富的片上資源簡化了空調(diào)的硬件電路設(shè)計，降低了成本。
國產(chǎn)DSP處理器芯片在通信、消費電子、工業(yè)控制等多個特定領(lǐng)域和應(yīng)用中，已經(jīng)逐漸嶄露頭角。盡管與國際領(lǐng)先廠商相比，國產(chǎn)DSP在某些技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域仍有差距，但其發(fā)展勢頭強勁，未來有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。
