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基础概念

1.什么是双耳效应?
双耳效应是人们依靠双耳间的音量差、时间差和音色差判别声音方位的效应。由于左右两耳之间有一定的距离,因此,除了来自前方和正后方的声音之外,由其他方向传来的声音到达两耳的时间就有先后,从而造成时间差。如果声源偏右,则声音必先到右耳后到达左耳。声源越是偏向一侧,则时间差也越大。声音到达两耳的时间差、声音到达两耳的声级差、声音到达两耳相位差、声音到达两耳的音色差。
2.关于ADI Blackfin DSP
       信号处理是近年来十分活跃的领域,而以高速数字信号处理器(DSP)为基础的处理技术正在迅速发展。
DSP作为信号处理的基本硬件工具,在雷达、多媒体、通信、控制、航天和医疗等领域发挥着重要的作用。所以选择并掌握一种DSP芯片具有很大的现实意义。 作为国际上DSP芯片的主要供应商,美国模拟器件公司(简称ADI)一直致力于发展高性价比的产品。其业务包括混合信号DSP、通用DSP,以及可靠数据服务、ADSL调制解调器、GSM手机、因特网接入、语音处理和电机控制等应用中的嵌入式DSP。其成熟的ADSP21XX系列DSP在实际应用中获得了广泛的应用,得到用户的充分肯定。 Blackfin系列DSP是ADI公司最新的基于微信号体系结构的DSP,它具有两个MAC,集成了大量的外围设备和存储器接口,每秒运算速度最高达到1200 MMAC(兆次乘法加法运算),适用于各种视频、音频、通信领域。Blackfin DSP是ADI与Intel联合开发的体现高性能体系结构的首款第四代定点DSP产品。在其系列产品中,最高时钟频率为600 MHz,峰值处理能力为1.2 GMIPS
汇聚DSP和MCU的ADI Blackfin
       2005年11月6日,Analog Devices公司邀请中国大陆的专业媒体记者聚会在泰国普吉岛,共同研讨该公司DSP产品中的BlackFin产品。Analog Devices是世界著名的DSP厂商,除了德州仪器以外,ADI算得上是数得出的通用DSP玩家了。ADI的DSP产品分为 ADSP-21xx, SHARC, TigerSHARC 和 BlackFin, 这次大家主要讨论的是BlackFin产品。Blackfin是ADI公司近年的旗舰处理器,它重在多媒体音频视频处理领域。 
       Blackfin 处理器基于由 ADI 和 Intel 公司联合开发的微信号架构(MSA),它将一个 32 位 RISC 型指令集和双 16 位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合 在了一起。这种处理特征的组合使得 Blackfin 处理器能够在信号处理和控制处理应用中均发挥上佳的作用 -- 在许多场合中免除了增设单独的异类处理器的需要。 
       在嵌入式DSP和MCU市场中,TI,飞斯卡尔,杰尔等通用DSP厂商主要占领可编程DSP市场; Broadcom, STMicro, Cirrus等公司的产品则多以ASIC的形式出现,为专用功能的DSP芯片; 在嵌入式MCU市场中,则是飞斯卡尔,瑞萨,Intel等单片机厂商的舞台。ADI把这三个市场的重叠部分定义为汇聚处理概念,他们推出的BlackFin处理器是一种嵌入式处理器核,通过软件的方式实现DSP和MCU,这样在一个产品中便具备了DSP的运算优势和单片机的控制优势。 
       Blackfin在信号处理性能和功率利用效率方面取得了突破性进展,同时也造就了一个基于 SIMD 架构的全32 位 RISC MCU 程序设计模型。Blackfin 处理器提供了高性能和同类软件目标,从而实现了硬实时信号处理任务与非实时控制任务之间资源的灵活分配。系统控制任务通常可在要求苛刻的信号处理和多媒体任务的影响之下执行。
       目前,Blackfin 处理器在单内核产品中可提供高达 756MHz 的性能。Blackfin 处理器系列中的新型对称多处理器成员在相同的频率条件下实现了性能的翻番。Blackfin 处理器系列还提供了低至 0.8V 的业界领先功耗性能。对于满足当今及未来的信号处理应用(包括宽带无线、具有音频/视频功能的因特网工具和移动通信)而言,这种高性能与 低功耗的组合是必不可少的。 
       所有的 Blackfin 处理器都为系统设计师提供了十分重要的好处,包括: 
       * 可实现各种新型市场和应用的高性能信号处理和高效控制处理能力  
       * 可令系统设计师使器件功耗模式与终端系统要求相适应的动态电源管理(DPM)能力,以及  
       * 可确保产品开发时间最小化的易用型混合 16/32 位指令集架构和开发工具套件。
       据ADI公司汇聚平台和系统部业务拓展经理李川介绍,为促进DSP和嵌入式处理器技术的快速开发,ADI公司提出了建设一个"生态系统"的概念,由ADI及其合作伙伴构成网络,提供相关的软件,工具,参考设计,教育中心等支持。以Blackfin为例,该处理器汇聚了控制,信号处理和媒体处理三方面的优势,通过很其他厂商和第三方的合作,和过去ADI独立作战的局面已大不相同。现在除了Visual DSP++外,NI公司,华恒,英蓓特,亿旗创新等公司都提供第三方的支持工具; 在实时操作系统方面,Blackfin走了通用嵌入式处理器的道路,有大概九家以上厂商的操作系统都支持Blackfin,如Nucleus, ThreadX, uClinux等。同时,该生态系统中的合作伙伴还在DSP库,参考设计方面为开发者提供了丰富的选择。
       在媒体研讨会上,浙江大学演示了Blackfin处理器为浙江大学视频电话项目的解决方案,亿旗创新公司演示了利用Blackfin开发的教育套件,杭州爱浦多公司采用Blackfin开发的MP4多媒体便携式播放器。这些方案较好的展示了Blackfin处理器在同只一颗芯片上运行操作系统和视频处理的能力。如就亿旗创新展示的PMP模型,实现了非常流畅的视频播放。爱浦多公司展示的MP4播放器,实现了视频,MP3, 收音机,游戏,电子书等众多功能,体现了Blackfin的处理能力和运算速度,而这样一个处理器的价格在五美元左右。
       ADI最新Blackfin 瞄准消费类媒体应用
       随着模拟器件公司(ADI)发布其最新的Blackfin处理器,这进一步增强了业界的共识,即消费媒体设备是数字信号处理器(DSP)的下一个巨大机会。 
       当今的计算密集型音视频消费类应用对灵活性和性能提出越来越高的要求,而已具备可重编程能力的DSP被大多数业内人士看成是满足这些需求的理想选择。 
       一些观察家表示,诸如Blackfin等最新构建的DSP芯片提供了比将DSP与微控制器结合在一起的传统解决方案更节省空间和功耗的紧凑型方法。 
       传统上,消费类设备使用DSP来执行计算密集型视频和图形处理,使用RISC处理器来实现用户界面和控制功能。例如,TI公司曾经将C55x或C64x DSP与ARM组合使用。在Blackfin芯片中,ADI结合了高端的DSP处理能力与突出的RISC性能,以避免在所有应用中(要求最苛刻的应用除外)采用DSP/ARM双处理器方案。 
       尽管Blackfins还瞄准汽车与工业应用及移动电话,但ADI公司显然将重点放在消费类媒体。ADI公司媒体平台与服务部总经理John Croteau表示:“我们认为Blackfin的最大应用在于数字娱乐。”
       许多业内人士都支持ADI所选择的方向。 独立市场调研机构Berkeley设计技术公司的总经理Jeff Bier指出,当今正在开发的广大新产品,如视频手机、手持视频播放机、IP机顶盒、数字录像机及高清电视等都需要DSP提供的灵活性。“在这些领域,算法与标准存在极大的变数,而且功能极其多样化。”他说,“为了满足应用的需求,你需要可编程性,而不能用硬件来固化设计。”  
       市场研究机构Forward Concepts公司的总裁Will Strauss在最新的一份报告中指出,电子工业正在发生根本的转型,即从PC时代转入由互连及多媒体驱动的新时代。他强调,DSP将处于这场转型的核心。 
       显而易见,可编程性正在变成“必须条件”。随着更多设备实现联网,它们需要具备互操作性。有时候,竞争力正是来自可编程解决方案。例如,日本消费电子制造商正在努力使他们的产品区别于中国制造的廉价产品,ADI的Croteau表示。
       Silicon-Insider杂志主编、微处理器分析师Jim Turley表示:“在我看来,ASIC在1990年代后期的繁荣已经过去。即使你拥有足够的智力和预算,但开发自己的芯片仍显得过于昂贵和耗时。处理器、DSP、控制器甚至FPGA在许多情况下是更具吸引力的选择。” 
       Bier指出,ADI能满足多大程度的应用需求将决定它在数字娱乐及多媒体领域能否取得与TI一样的成绩。TI的竞争筹码是基于其高端C64x产品线的DM64x芯片以及用于便携式或客户端设备的C55x DSP芯片。
       Turley认为:“ADI做得很漂亮,它凭借自己的优势在消费电子领域抗衡像TI这样的重量级对手。”他指出,Blackfin的吸引力主要来自于那些类似微控制器的功能,这些功能使得它可以成为产品中唯一的一块芯片,而无需在DSP旁边放置其它芯片(如ARM微控制器)。
       ADI媒体平台与服务部总经理Jerry McGuire列举了Blackfin芯片的其它优势。“从一开始,我们就采用一组特殊指令集来增强芯片的视频性能。”他说,“在数据传输方面,我们拥有能增强视频性能的DMA(直接存储器存取),包括2-D DMA。”
       但ADI在支持消费多媒体应用方面的经验相对薄弱,而TI在完成C55第三方任务上已经积累多年的成功经验。分析师Bier注意到这一点,并指出随着应用变得越来越复杂,软件及开发支持的任务正在迅速上升。“在这方面,ADI已经有了一个良好的开端,并正在围绕Blackfin创建支持系统,”他接着说,“但这需要数年的时间以及持续的投入。” 
       ADI正在这一新领域迅速获得动力。Blackfin DSP已经被设计到众多新兴的消费类产品中,包括微软公司的Windows媒体中心扩展器、Roku公司的网络音乐播放器以及AuthenTec公司基于指纹传感器技术的嵌入式锁系统等。 
       在许多嵌入式消费类系统中,Blackfin既是音视频解码的核心,又是控制系统的处理器。Blackfin能解码各种不同的数字媒体格式,包括MP3、Windows Media Audio 9、WAV、AIFF与AAC文件、MPEG-2、MPEG-4及Windows Media Video 9等。
       几家DSP或媒体处理器竞争厂商已经先于ADI实现用软件解码Windows Media Video 9等高级视频压缩格式。“但我们第一个使其在容量、价格及功耗上能满足大批量消费类产品的需要,”ADI公司Blackfin电子媒体平台行销总监Scot Robertson表示。 
       在ADI的2004年技术规划中,Blackfin处理器产品线包括8款新器件,其差异性主要体现在外围单元上,如集成式10/100以太网MAC、PCI、USB2.0 On-the-Go以及LCD控制器等。
       在每款产品上集成恰当的外围单元对于ADI在消费IC市场取得成功至关重要。Turley表示:“消费电子制造商不愿意为他们不需要或不使用的功能支付费用。如果一款芯片提供了比客户所需多得多的功能,那么它必然出局。因此,在功能与集成之间存在着微妙的平衡关系。” 
       Forward Concepts的Strauss相信:“ADI的定点芯片客户群还需要两年时间才能从旧平台转移到更具吸引力的新平台。” 
       “ADI目前面临的首要问题是,Blackfin与其早期的ADSP-21XX定点系列芯片在代码上不兼容,”他说。
       但Bier不同意这种看法。“ADI正在对Blackfin作出承诺,”他说,“他们现在把重点放在Tigersharc、Sharc和Blackfin上,而定点的218x及219x产品开始退居幕后。他们已经消除了未来将发展哪些架构的不确定性。” 
       ADI的Croteau证实了这种转变,“我们将继续支持218及219x,但应用正在转向Blackfin。”
       ADI的BlackFine DSP兼具32位MCU的功能
       美国模拟器件公司(ADI)媒体平台与服务部总经理John Croteau和亚洲区市场推广经理Brandon Graff先生日前到访北京,介绍了ADI公司在DSP领域的技术现状。 
       随着无线基础设施市场以及消费类市场的蓬勃发展,除了传统的AD218x 系列及AD219x系列以及浮点Sharc DSP之外,近几年ADI公司推出了面向3G基站应用的TigerSharc DSP以及面向消费类应用的定浮点BlackFine系列。
       其中,TigerSHarc DSP由于具有极强的可编程特性,可满足3G无线基础设施对成本、处理能力及灵活性的要求,爱立信已宣布在其WCDMA基站中采用ADI TigerSharc TS-201芯片,据Bancorp Jaffray公司的数据表明,爱立信在360亿美元的无线基础设施市场领域占据了26%的市场份额达到94.26亿美元的销售收入。Forward Concepts总裁兼分析师Will Strauss 认为:爱立信采用TigerSharcDSP将使许多公司重新看待DSP。随后,富士通与阿尔卡特的合资企业Evolium公司以及高通公司也宣布采用ADI TigerSharc 芯片。
       BlackFine作为独特的DSP,不只是单纯的DSP,还具有32位MCU的功能, John Croteau介绍说:BlackFine可支持MPEG-4, WMV以及H264等的视频编解码格式,支持Linux操作系统,具有可编程特性以及成本低等特点,能单独用作中低端机顶盒的主处理器,或者与Intel的Xscale、摩托罗拉的PowerPC一起,作为协处理器应用在高端机顶盒中。目前,ADI公司正与国内第三方合作为BlackFine 提供开发工具,以更好的服务中国客户。未来,有计划推出支持WinCE的BlackFine产品。 
       DSP芯片需求上升,价格将有所回落
       受无线通信、消费类电子以及其他等一直发展较快的应用驱动,DSP产品在2004年将是一个很好的年景,全球一年的的总销售预计可达85亿美元,比2003年增长20%以上。无线通信据认为是DSP应用的最大领域,占DSP需求总量的70%左右。每一个无线手机都需要至少一个DSP芯片,而用于无线基站对信号进行开关切换和发送也需要相应的DSP产品。
       应用需求量增大
       关注DSP市场的市场分析公司IC Insight认为,由于3G手机市场的启动和全球手机出货量的提高,DSP芯片在今后几年仍可维持一个较高的需求。但手机市场也出现了一个令手机制造商和芯片供应商不太乐观的态势,在一些收入水平较低的地区,新手机用户有一定的比例采取购买二手手机,而不是新产品,因此手机用户的增加并非直接代表芯片消耗量的同步增长。这也从另一个角度反映了手机市场的现状,在一部分用户中,手机的更新换代非常快,有些只有半年左右,助长了二手市场的成长。业内分析人士认为,要使这一趋势得到遏制,新手机产品的价格因素已经非常重要,另外手机制造商和运营商也需要以用新产品所提供的服务来吸引用户。
       尽管如此,由于2.5G和3G服务的数据速率至少比2代手机高出5倍,市场所提供的服务是以前手机所不具有的,新手机往往需要更高性能的DSP芯片。新一代通信标准需要新的无线基站设施,因此手机市场在未来五年内仍将是DSP产品应用的最大动力和最主要的市场。另外,数字用户线(DSL)也是DSP产品应用的一个主要领域。
       除通信领域外,消费类电子产品如数码相机、DVD产品、数字电视等未来几年发展趋势看好,也将是DSP芯片的主要应用领域。语音识别、自动翻译、助听器、全球定位系统(GPS)和汽车电子中一些新应用领域也是DSP市场未来的增长动力。
       DSP产品价格将整体下滑
       DSP市场2004年的特点是尽管需求比较旺盛,但价格可望呈现总体下降的趋势。受第一季度超量采购和传统淡季的共同影响,第二季度DSP芯片的价格预计将下滑,第三季度转为上扬,第四季度再次下跌。市场分析人士预计,DSP产品的平均售价(ASP)可望从2004年年初的5.97美元降低到年底的5.69美元,因此总体看,对于众多的DSP买家是一个好消息,可能短期的订单策略比较合适。市场ASP降低对于DSP芯片供应商来说,虽然不是好消息,但由于需求量增大,也不是坏消息。平均售价的降低从另一个角度会促使芯片的更多采用。
       德州仪器(TI)是目前DSP市场的第一大供应商,该公司的DSP芯片应用范围可以渗透到从普通的玩具到高端的无线基站、工作站。TI是无线手机用DSP芯片的最大供货商,占有60%左右的市场份额,该公司的DSP芯片可应用于GSM(TCS2200)、GPRS(TCS2100)、手机多媒体应用(TCS2600)以及同样是移动设备的PDA产品(TCS4105)。
        美国模拟器件公司(ADI)是全球第二大DSP芯片供应商,产品以高性能著称。该公司的DSP有SHARC、Melody和Blackfin系列产品,可应用于音频设备、无线通信、汽车电子和视频/图像等处理领域。其中Blackfin系列将高性能的信号处理和高效的控制能力结合在一起,被业界认为是一款应用非常广泛的DSP产品。
       无线通信市场的另外一家主要供应商是Agere 公司,该公司的产品主要用于无线基站等领域,根据该公司的统计数据,Agere的16000DSP芯片已经占到全球基站应用的一半,这些高端产品平均售价往往高出一般产品的许多倍,一般DSP的平均售价只有5~6美元,而一般通信基站用的DSP平均售价则高达60美元,一般预计新一代通信标准可能带动新一轮基站建设,对于高端DSP芯片的需求量将大幅度提高。但由于宽带CDMA(WCDMA)标准允许单用户实现2Mbps的速率,而高速数据包传输(High speed data packet access, HSDPA)标准则可达到10、15、20Mbps,在如此高的数据速率下,对于DSP芯片的性能要求自然更高。
       下一代DSP的发展取向
       为满足下一代高速通信的要求,DSP芯片需要有更多的功能和更高的性能,一般使用的手段是数学协处理器(math coprocessor)和板上SRAM存储器(on-board memory)技术。Agere公司采用的DSP策略是片上系统(system-on-a-chip),该公司认为,下一代通信技术的挑战需要SoC技术。传统条件下,如果芯片用来执行一个程序或数据接入,会产生一个数据传输的瓶颈,如果具有多个DSP内核,并在这些内核附近有片上存储器,情况可以大幅度改观。这种器件具有传统的DSP功能,但同时具有协处理器和一些硬连线加速器(hard-wired accelerator),这样的器件架构可以满足下一代高速通信的性能要求。
       更多的功能和更高的性能不仅体现在高端的DSP芯片,一些中低端的产品也在采用这些技术。Motorola半导体部(已经更名为Freescale Semiconductor)已经把DSP和微控制器结合在一起,这种产品基本是DSP的架构,但具有微控制器的功能,可应用在马达控制等领域。
       目前的汽车基本采用液压传动,但有预测今后几年电传动将成为主流,而DSP将在这种转变中发挥巨大的作用,Motorola半导体部的56F8300系列DSP产品即是面对这些应用领域。
       Motorola公司半导体部表示,在电传动汽车中,需要计算车轮如何转动,转动多快等复杂的数学问题,微控制器可以进行传感器和马达控制之间的通信。这样汽车制造商可以逐渐摆脱庞大的液压系统,使汽车的整体重量降低,同时减少燃油的消耗。由于对液压系统的维护成本要远远高于电动马达的维护,考虑到汽车装配工艺的简化,因此无论对于汽车制造商还是普通消费者,都可以预见成本会有大幅度的降低。
       在过去几年中,DSP产品性能提高的一个突出表现是计算和控制能力有了大幅度提高,使其可以完成更多、更复杂的信号处理和控制功能。在性能提高的同时,DSP芯片的价格却不断下降,从而使从电动牙刷到复杂的工业控制等范围更广的电子产品可以采用DSP芯片。据信,目前Motorola公司半导体部的56F8300系列DSP产品的售价已经是2.5~5美元,可以接受的应用领域应该非常广泛。