DSP芯片，國(guó)產(chǎn)方案不斷涌現(xiàn)

作者：豐寧

和計(jì)算機(jī)一樣，數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的面貌。今天DSP已廣泛應(yīng)用在語音、圖像、通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。DSP起了十分關(guān)鍵的作用，成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)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(hào)處理器（DSP）是一類專門用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的核心，負(fù)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(gè)邏輯門組成，可以通過編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能；而DSP擅長(zhǎng)執(zhí)行大量的乘法和加法運(yùn)算，通常用于實(shí)時(shí)信號(hào)處理、數(shù)字濾波、頻譜分析等領(lǐng)域。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求和場(chǎng)景，可以選擇合適的處理器架構(gòu)。例如，對(duì)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(duì)于需要大規(guī)模并行計(jì)算的任務(wù)，GPU可能更適合；而對(duì)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(jì)和實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景。在實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在很多信號(hào)處理系統(tǒng)中，現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)大多是模擬信號(hào)，如聲音、溫度、壓力等。而 DSP 只能處理數(shù)字信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，提供給 DSP 進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)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(hào)是模擬信號(hào)，通過 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，DSP 可以對(duì)其進(jìn)行濾波、降噪、均衡等處理，以提升音頻質(zhì)量。

（模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)）ADC→（數(shù)字信號(hào)處理）DSP→（數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)）DAC

DAC 的作用與 ADC 相反，它將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。當(dāng) DSP 完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理后，往往需要將處理后的信號(hào)輸出到模擬設(shè)備或系統(tǒng)中，這時(shí)就需要 DAC 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。例如，在數(shù)字音頻播放系統(tǒng)中，DSP 對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字音頻文件進(jìn)行解碼和處理后，通過 DAC 將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)，再驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

?02、一些DSP芯片的實(shí)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(shí)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(yùn)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ＯM(fèi)領(lǐng)域。

通信是DSP的一大應(yīng)用市場(chǎng)

隨著DSP技術(shù)的飛速進(jìn)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(yùn)算與實(shí)時(shí)處理能力。在無線通信基站中，DSP芯片作為核心處理單元，負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的信號(hào)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(jì)算速度和精度，以確保數(shù)據(jù)傳輸的高效性和可靠性。DSP通過其強(qiáng)大的并行處理能力和優(yōu)化的算法庫，能夠?qū)崟r(shí)處理海量的數(shù)字信號(hào)，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(shí)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(shí)別效果；還可以用于處理電視音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音效增強(qiáng)、均衡等功能；在抽油煙機(jī)中，加入 DSP 語音芯片后，抽油煙機(jī)不僅能夠在燃?xì)庑孤r(shí)進(jìn)行真人語音報(bào)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(yuǎn)場(chǎng)語音控制功能的家電實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的語音接收和識(shí)別，并進(jìn)行降噪處理。

DSP在工業(yè)自動(dòng)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(jī)控制、電力電子變換、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域。DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)處理復(fù)雜的控制算法，實(shí)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(dòng)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(dòng)器等應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)MCU方案，DSP能實(shí)現(xiàn)更精確、更快的電機(jī)速度控制、轉(zhuǎn)矩控制及能量?jī)?yōu)化。例如用于電梯門控器和曳引機(jī)等場(chǎng)景，可以保障電梯穩(wěn)定、高效運(yùn)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(cè)、診斷、自學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，保障車輛運(yùn)營(yíng)安全。

汽車漸成DSP新應(yīng)用市場(chǎng)

從分布式向集中式演進(jìn)，汽車的電子電器架構(gòu)日益被分為五大功能域——?jiǎng)恿τ?、底盤域、車身域、座艙域和自動(dòng)駕駛域，各自實(shí)現(xiàn)基本功能。在動(dòng)力域，DSP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機(jī)OBC的控制等。憑借數(shù)據(jù)和程序相互獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，保證實(shí)時(shí)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(dòng)座椅、空調(diào)控制等與車內(nèi)駕乘體驗(yàn)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(dòng)汽車安全控制相關(guān)的電機(jī)應(yīng)用，均需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集外部信號(hào)、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)計(jì)算和相應(yīng)控制，DSP芯片也非常適合使用在這些場(chǎng)景當(dāng)中。

?03、DSP芯片，國(guó)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(guó)際一線老牌芯片廠商長(zhǎng)期占據(jù)領(lǐng)先技術(shù)和市場(chǎng)地位，主要廠商有3家：TI、ADI和摩托羅拉，其中TI公司獨(dú)占鰲頭，占據(jù)絕大部分的國(guó)際市場(chǎng)份額，ADI和摩托羅拉公司也有一定市場(chǎng)。中國(guó)的DSP芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，但同時(shí)中國(guó)也是全球DSP芯片最大的應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)悉，2022年我國(guó)DSP芯片需求量約為4.7億顆，然而這一年中國(guó)DSP芯片的產(chǎn)量?jī)H有4755.7萬顆。人工智能、語音識(shí)別、5G基站通訊領(lǐng)域等快速擴(kuò)張，中國(guó)對(duì)于DSP芯片的整體需求也在快速上漲。近年來，政府出臺(tái)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(dòng)DSP芯片行業(yè)的數(shù)字化融合，促進(jìn)計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合發(fā)展，為DSP芯片提供了進(jìn)一步的發(fā)展機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)DSP芯片制造商正穩(wěn)步前行，在技術(shù)創(chuàng)新與市場(chǎng)開拓上不斷取得突破，有效削弱了國(guó)際市場(chǎng)的壟斷格局，提升國(guó)產(chǎn)芯片的市場(chǎng)占有率與競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國(guó)內(nèi)DSP芯片廠商主要有中電14所、中電38所、湖南進(jìn)芯電子、中科昊芯、北京中星微電子等。

進(jìn)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(jìn)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(jìn)入工控市場(chǎng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。如今進(jìn)芯電子已成為國(guó)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(dòng)汽車以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

針對(duì)汽車應(yīng)用，進(jìn)芯推出了符合IATF16949，AEC-Q100 Grade1標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大產(chǎn)品陣容，包括：32位浮點(diǎn)高性能DSP芯片AVP32F335系列，32位定點(diǎn)實(shí)時(shí)控制DSP芯片ADP32F034、ADP32F035系列，32位定點(diǎn)車身控制DSP芯片ADP32F036、ADM32F036系列, 16位定點(diǎn)高性價(jià)比DSP芯片ADM16F03系列；全面匹配電動(dòng)汽車從動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)中，AVP32F335 系列芯片可以實(shí)時(shí)采集電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)字信號(hào)處理算法，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確調(diào)速和扭矩控制，從而提高汽車的動(dòng)力性能和能源利用效率。同時(shí)，它還可以對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，確保電池的安全和長(zhǎng)壽命使用。

在家電產(chǎn)品中，可用于空調(diào)的變頻控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、速冷速熱、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能靜音等功能，進(jìn)芯電子推出汽車空調(diào)壓縮機(jī)方案。該方案以進(jìn)芯32位DSP車規(guī)芯片ADP32F035BQ為控制核心，以針對(duì)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的自研無感FOC控制算法，能夠很好的觀測(cè)負(fù)載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，具有啟動(dòng)快速可靠、低速大扭矩、高速運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、效率高等特點(diǎn)。

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(jìn)。電子風(fēng)扇幫助內(nèi)燃機(jī)、電池等發(fā)熱設(shè)備進(jìn)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(chǎng)大多使用小型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，為此，進(jìn)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(jìn)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(dòng)、電路簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)。電子風(fēng)扇方案以進(jìn)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(shì)：采用了 RISC-V 指令集架構(gòu)，解決了 DSP 芯片知識(shí)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(jì)算 / 變換、三角函數(shù)、數(shù)字微積分、浮點(diǎn)計(jì)算方面的速度較國(guó)外同類型號(hào)產(chǎn)品可實(shí)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(dòng)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(chǔ)能及光伏、白色家電、數(shù)字電源等市場(chǎng)。在新能源汽車領(lǐng)域，可用于電機(jī)控制、電池管理等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛動(dòng)力的精確調(diào)控和能源的高效利用；在儲(chǔ)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(chǔ)能逆變器中，HXS320F280039C 芯片可以快速處理和分析大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制、節(jié)能管理和智能化運(yùn)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(yùn)算能力和精準(zhǔn)控制特性，實(shí)現(xiàn)更精確的溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)速控制以及節(jié)能運(yùn)行，提升用戶的舒適度和空調(diào)的能效比。同時(shí)，其豐富的片上資源簡(jiǎn)化了空調(diào)的硬件電路設(shè)計(jì)，降低了成本。國(guó)產(chǎn) DSP 處理器芯片在通信、消費(fèi)電子、工業(yè)控制等多個(gè)特定領(lǐng)域和應(yīng)用中，已經(jīng)逐漸嶄露頭角。

盡管與國(guó)際領(lǐng)先廠商相比，國(guó)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(shì)頭強(qiáng)勁，未來有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。