本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，作者/丰宁。
和计算机一样，数字信号处理的理论从60年代崛起以来，到80年代DSP产生，它飞速发展改变了信号处理的面貌。今天DSP已广泛应用在语音、图像、通讯、雷达、电子对抗、仪器仪表等各个领域。DSP起了十分关键的作用，成为数字电路设计的主要方法。
那么DSP究竟发挥着哪些作用呢？
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DSP的主要作用
数字信号处理器（DSP）是一类专门用于实现数字信号处理算法的半导体器件，其与CPU、GPU、FPGA并称为“四大通用芯片”。
CPU（中央处理单元）是计算机体系结构的核心，负责执行程序中的指令；GPU（图形处理器）是一种专门用于图形渲染的处理器。FPGA是一种可编程逻辑器件，其内部由多个逻辑门组成，可以通过编程实现各种复杂的逻辑功能；而DSP擅长执行大量的乘法和加法运算，通常用于实时信号处理、数字滤波、频谱分析等领域。
在实际应用中，根据不同的需求和场景，可以选择合适的处理器架构。例如，对于需要大量递归操作和不便拆分的算法，DSP可能是更好的选择；对于需要大规模并行计算的任务，GPU可能更适合；而对于需要灵活性和可编程性的应用，CPU可能是最佳选择；FPGA则适用于需要大规模逻辑设计和实时性要求高的场景。
在实际工作中，DSP与ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）又有着紧密的关系。
ADC的主要作用是将模拟信号转换为数字信号。在很多信号处理系统中，现实世界中的信号大多是模拟信号，如声音、温度、压力等。而DSP只能处理数字信号。所以，ADC作为连接模拟世界和数字处理世界的桥梁，将模拟信号转换为数字信号后，提供给DSP进行各种数字信号处理操作。
例如，在音频处理系统中，麦克风采集到的声音信号是模拟信号，通过ADC转换为数字信号后，DSP可以对其进行滤波、降噪、均衡等处理，以提升音频质量。
DAC的作用与ADC相反，它将数字信号转换为模拟信号。当DSP完成对数字信号的处理后，往往需要将处理后的信号输出到模拟设备或系统中，这时就需要DAC进行数模转换。
例如，在数字音频播放系统中，DSP对存储的数字音频文件进行解码和处理后，通过DAC将数字音频信号转换为模拟音频信号，再驱动扬声器发出声音。
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一些DSP芯片的实际应用
20世纪70年代，DSP芯片处于理论先行的阶段；20世纪80年代，DSP芯片处于产品普及的阶段，第一代、第二代、第三代DSP芯片诞生，90年代是DSP发展最快的时期，相继出现了第四代和第五代DSP芯片。
这些芯片在系统集成度、运算速度和应用范围上都有了显著提升。第五代DSP芯片将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上，不仅在通信领域大显身手，还逐渐渗透到人们日常消费领域。
通信是DSP的一大应用市场
随着DSP技术的飞速进步，其在通信领域的应用愈发广泛且深入。无线通信网络，如4G、5G乃至未来的6G技术，都高度依赖于DSP的高效运算与实时处理能力。
在无线通信基站中，DSP芯片作为核心处理单元，负责处理复杂的信号调制解调、信道编码解码、多用户接入控制等关键任务。这些功能要求极高的计算速度和精度，以确保数据传输的高效性和可靠性。DSP通过其强大的并行处理能力和优化的算法库，能够实时处理海量的数字信号，支撑起大规模用户的高速数据通信需求。
DSP成为智能家电的加速器
DSP技术高效、灵活的特性也吸引了家电行业的目光。
在家电领域，DSP可实现各种音效处理、音量控制、降噪、回声消除等功能，提升智能音箱的音频质量和语音识别效果；还可以用于处理电视音频信号，实现音效增强、均衡等功能；在抽油烟机中，加入DSP语音芯片后，抽油烟机不仅能够在燃气泄漏时进行真人语音报警，还能为老人、视力不好的群体提供便利；此外，DSP还可以帮助具备远场语音控制功能的家电实现更远距离的语音接收和识别，并进行降噪处理。
DSP在工业自动化领域发挥更大作用
早期DSP在工业中的应用，主要集中在提高工业设备的控制精度和响应速度，例如在电机控制、电力电子变换、运动控制、过程控制等领域。DSP芯片能够实时处理复杂的控制算法，实现精准的闭环控制，从而提高生产效率和产品质量。
在现在工业自动化应用中，DSP芯片正在发挥更大的作用。比如在变频器、伺服驱动器等应用中，相比传统MCU方案，DSP能实现更精确、更快的电机速度控制、转矩控制及能量优化。例如用于电梯门控器和曳引机等场景，可以保障电梯稳定、高效运行；在地铁门控制中，采用DSP全数字控制技术的电子门控器，可集成车门的控制、监测、诊断、自学习和网络通讯等功能，保障车辆运营安全。
汽车渐成DSP新应用市场
从分布式向集中式演进，汽车的电子电器架构日益被分为五大功能域——动力域、底盘域、车身域、座舱域和自动驾驶域，各自实现基本功能。在动力域，DSP可以实现对主电机、直流电压转换DC-DC、车载充电机OBC的控制等。凭借数据和程序相互独立的总线结构、独特指令集和丰富数模外设资源，DSP在同等主频下能大幅提升算力，实现复杂的控制规律，保证实时性能。
车身域也是汽车电子系统重要的组成部分，包含汽车门窗、灯光、雨刮、电动座椅、空调控制等与车内驾乘体验息息相关的应用，散热风扇控制、油泵/水泵控制等混动汽车安全控制相关的电机应用，均需要进行实时的采集外部信号、实现复杂电机计算和相应控制，DSP芯片也非常适合使用在这些场景当中。
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DSP芯片，国产方案不断涌现
从世界上第一颗DSP诞生至今30年来，国际一线老牌芯片厂商长期占据领先技术和市场地位，主要厂商有3家：TI、ADI和摩托罗拉，其中TI公司独占鳌头，占据绝大部分的国际市场份额，ADI和摩托罗拉公司也有一定市场。
中国的DSP芯片产业起步较晚，但同时中国也是全球DSP芯片最大的应用市场。据悉，2022年我国DSP芯片需求量约为4.7亿颗，然而这一年中国DSP芯片的产量仅有4755.7万颗。人工智能、语音识别、5G基站通讯领域等快速扩张，中国对于DSP芯片的整体需求也在快速上涨。
近年来，政府出台了一系列有利于DSP芯片产业发展的政策。政府还积极推动DSP芯片行业的数字化融合，促进计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合发展，为DSP芯片提供了进一步的发展机会。
与此同时，国内DSP芯片制造商正稳步前行，在技术创新与市场开拓上不断取得突破，有效削弱了国际市场的垄断格局，提升国产芯片的市场占有率与竞争力。
目前，国内DSP芯片厂商主要有中电14所、中电38所、湖南进芯电子、中科昊芯、北京中星微电子等。
进芯电子已推出多款新能源汽车解决方案
2012年成立的湖南进芯电子，6年间不断突破技术壁垒，于2018年正式推出自研DSP进入工控市场，填补了国内空白。如今进芯电子已成为国内DSP产品线最为丰富的厂商之一，主要用于工业控制、新能源、电动汽车以及物联网等领域。
针对汽车应用，进芯推出了符合IATF16949，AEC-Q100 Grade1标准的强大产品阵容，包括：32位浮点高性能DSP芯片AVP32F335系列，32位定点实时控制DSP芯片ADP32F034、ADP32F035系列，32位定点车身控制DSP芯片ADP32F036、ADM32F036系列,16位定点高性价比DSP芯片ADM16F03系列；全面匹配电动汽车从动力域到车身域的多种应用。
解决方案方面，例如在新能源汽车动力系统中，AVP32F335系列芯片可以实时采集电机的运行数据，通过高效的数字信号处理算法，快速准确地计算出控制指令，实现对电机的精确调速和扭矩控制，从而提高汽车的动力性能和能源利用效率。同时，它还可以对电池管理系统进行监控和优化，确保电池的安全和长寿命使用。在家电产品中，可用于空调的变频控制，实现更节能、更精准的温度调节。
为了让汽车空调实现快速启动、速冷速热、运行稳定、节能静音等功能，进芯电子推出汽车空调压缩机方案。该方案以进芯32位DSP车规芯片ADP32F035BQ为控制核心，以针对汽车空调压缩机的自研无感FOC控制算法，能够很好的观测负载的转速和转矩，具有启动快速可靠、低速大扭矩、高速运行平稳、噪声小、效率高等特点。
随着汽车产业“新四化”的加深，风扇、冷却液泵等车载小型设备的电气化控制也在不断推进。电子风扇帮助内燃机、电池等发热设备进行散热，是车载热管理系统中的重要一环。
目前电子风扇市场大多使用小型无刷直流电机驱动解决方案，为此，进芯电子推出了功率400W-12V/600W-24V电子风扇解决方案。该方案采用PWM/LINK通讯方式进行调速和故障反馈，使用单电阻弦波方案，具有顺逆风启动、电路简单、控制稳定、成本低等优点。电子风扇方案以进芯ADM16F03A2 DSP作为主控芯片。
中科昊芯致力于RISC-V DSP芯片研发
中科昊芯的RISC-V DSP芯片HXS320F280039C、HXS320F28379D等产品具有以下优势：采用了RISC-V指令集架构，解决了DSP芯片知识产权和生态壁垒的问题；其数学优化型内核在矢量计算/变换、三角函数、数字微积分、浮点计算方面的速度较国外同类型号产品可实现50%至110%的提升；构建了完整的RISC-V DSP集成开发环境，并自研了HawkING IDE开发工具以及多样化的flash下载工具，能够给客户提供完整的算法库、驱动库，帮助客户降低迁移成本、缩短开发周期。
这些芯片可广泛应用于新能源汽车、储能及光伏、白色家电、数字电源等市场。在新能源汽车领域，可用于电机控制、电池管理等系统，实现对车辆动力的精确调控和能源的高效利用；在储能及光伏系统中，有助于提高能源转换效率和系统的稳定性；在白色家电方面，可提升家电的智能化控制水平和性能；在数字电源领域，能够优化电源的输出质量和效率。
例如在光伏及储能逆变器中，HXS320F280039C芯片可以快速处理和分析大量的实时数据，实现对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT），提高能源转换效率。在白色家电中，如空调、冰箱等产品，通过该芯片可以实现更精确的温度控制、节能管理和智能化运行模式。
以其在白色家电中的应用为例，具体产品如智能空调，利用中科昊芯DSP芯片的快速运算能力和精准控制特性，实现更精确的温度调节、风速控制以及节能运行，提升用户的舒适度和空调的能效比。同时，其丰富的片上资源简化了空调的硬件电路设计，降低了成本。
国产DSP处理器芯片在通信、消费电子、工业控制等多个特定领域和应用中，已经逐渐崭露头角。尽管与国际领先厂商相比，国产DSP在某些技术指标和应用领域仍有差距，但其发展势头强劲，未来有望在更多领域实现突破。
