DSP和FPGA在汽车电子中的广泛应用

1 　引言

　　20世纪末，全球范围内兴起的信息革命浪潮，为汽车工业的突破性发展提供了千载难逢的机遇，信息技术的广泛应用是解决汽车带来的诸如交通拥挤、交通安全、环境污染、能源枯竭等问题的最佳途径。同时，随着汽车电子技术的发展，电子组件所占整车成本的比例也逐步上升。据统计资料表明，目前，在欧美国家生产的汽车上，电子组件已占到汽车总成本的20%～30%，并且，车用电子组件还以每年8.8％的速度快速增长，特别是数字信号处理器芯片（DSP）的用量更是将以每年25％的速度增长。估计到2005年，汽车电子组件的市场规模，将达到170亿美元。由此可见，电子化、集成化、数字化、信息化、网络化、智能化、小型化和个性化已经成为并且还将继续是汽车工业发展的重要趋势。本文仅集中探讨汽车电子中基于DSP和FPGA的数字化应用技术。

　　DSP和FPGA技术在许多领域均有广泛的应用，在汽车电子领域也有它广泛的应用舞台。由于具有极强的实时性，使其对话音进行实时处理成为可能；由于它是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的，因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能，具有极大的灵活性；又由于 DSP和FPGA芯片并非专门为某种功能设计的，因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽车电子系统中大量应用，将会极大地促进汽车电子技术的发展。

　　2　 DSP和FPGA在汽车电子中的应用比较

　　DSP作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，是通过可下载的软件或固件来实现扩展算法和数字信号处理功能的，其最典型的用途是实现FIR滤波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的构造单元是被称为MAC的乘加器，它通常被集成在数据信道中，这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，DSP芯片还有若干个独立的片内存储器、ROM、RAM、并行功能单元、锁相环(PLL)、振荡器、几条8位或16位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电保存数据的要求，DSP芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。当前，大多数的DSP芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使得处理指令和数据可以同时进行，提高了处理效率。另外还采用了流水线技术，将取指、取操作数、执指等步骤的指令时间可以重迭起来，大大提运算速度。

　　FPGA 指的是现场可编程门阵列，它的基本功能模块是由n输入的查找表，存储数据的触发器和复路器等组成。这样，只要正确地设置了其中的数据，查找表就能够通过对中的数据的读取而实现输入的任意布尔函数。触发发器则用来存储数据，如有限状态机的状态信息。复路器可以选择不同的输入信号的组合，将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来，就可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于FPGA内部结构的特点，它可以很容易的实现分布式的算法结构，这一点对实现汽车电子中的高速数字信号处理十分有利。由于FPGA器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由FPGA实现的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于FPGA可动态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线形函数，因此有可能在很少的几片甚至一片FPGA中集成一个支持所有标准的系统。不过，由于现有的FPGA的开发系统几乎都是为ASIC的原型验证而设计的，导致这些开发系统在节省工程开发时间上效率非常高，而在FPGA资源的利用效率方面却比较差。HDL语言可大大提高设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面HDL的设计方法还有一定的局限性，还不能提供 FPGA布局布线的优化和约束。

　　3　 汽车电子中的DSP和FPGA应用

　　提到汽车电子的数字化，不能不想到目前无线通信很看好的软件无线电技术，尽管它是针对无线通信的，但软件无线电所要实现的思想，与汽车电子之所以要数字化处理所追求的目标却是殊路同归的。因此，有必要提及和采用这一技术的实现思路和思想。软件无线电概念的首次明确提出是在1992年5月，由MITRE 公司的Joe Mitola提出，它是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线通信中应用的产物；它所追求的基本思想和目标是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将多种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，以实现具有高度灵活性，开放性的通信产品。因此，对于汽车电子数字化产品的研究，完全可以吸取软件无线电的以下主要思想：第一，要使汽车电子产品摆脱硬件结构的束缚；第二，并不是不要硬件；第三，汽车电子产品应该具有开放性和兼容性，开放是指对使用的开放、对生产的开放和对研制的开放。下面，就基于软件无线电的思想探讨DSP和FPGA在汽车电子中的主要应用。

　　3.1基于DSP和FPGA的车用语音信号处理

　　汽车电子产品中的语音处理主要涉及到语音的数字化处理、语音编解码、语音压缩和语音识别。国外比较热门的汽车电子产品之一就是语音识别系统，语音识别系统具有潜在的应用前景，包括声控电话、语音操作导航、声控选择广播频道、防盗语音鉴别等。例如，一种基于隐式马可夫模型（HMM）的与讲话人无关、 100条指令识别的应用，由文献可知，那幺声学HMM模型的大小将为。进行包括输入语音采样的细分/开窗、MFCC提取、概率计算和Viterbi搜寻等适时处理，对DSP的运算量要求一般为10000万次乘加（MAC）运算。对于连续语音信号的识别，则要求更好的数字信号处理速度和更大的存储空间。

　　由于语音识别系统要对声音进行实时处理和采样，需要大量的运算，如果以它们20%的计算资源分配用于1000万次MAC语音识别应用，那么需要处理器能够具有5000万次MAC的能力。因此，必须采用DSP和FPGA才能完成其任务。DSP和FPGA的处理速度对语音信号处理应用系统的复杂性和性能起着决定性作用，高速DSP和FPGA的实现可实现声道自适应和声域自适应等现代语音处理和识别技术。从理论上讲，DSP和FPGA处理速度越快，汽车语音处理和识别产品的应用性能就越好。

　　随着应用日益多样化， DSP和FPGA演变成不再是一块独立的芯片，而变成了构件内核。这使得设计师能选择合适的内核和专用逻辑“胶结”在一起形成专用DSP和FPGA方案，以满足信号处理的需要。目前，还出现把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽车电子系统使用通用DSP和FPGA来实现语音合成，纠错编码。而语音合成、语音压缩与编码是DSP最早和最广泛的应用，矢量编码器用于将语音信号压缩到有限带宽的信道中。