曾经有一度DRAM和微处理器是带动半导体产业成长的动力，而DSP（Digital Signal Processor；数字信号处理器）随着手机跟消费性影音产品需求大增，将会是驱动下一波半导体产业成长的明星，而亚太地区已经是通讯和消费性产品最大的消费区域，预估DSP市场将快速向亚太地区移动；而当我们检视整个DSP产品的发展过程，我们可以很清楚的了解到这是一个从标准化产品为出发点，进而朝向客制化、系统化方向发展的轨迹。高复杂度的嵌入式DSP系统产品包含至少一个嵌入式的DSP Core，加上各样的逻辑、内存以及（或）模拟组件，这将会比现有市场上所有系统中的IC项目多出50％到100％的价值；根据市调机构Gartner Group的统计数字显示，嵌入式DSP处理器市场将于2005年超过50亿美元。

DSP基本介绍

自从1982年TI发明了全世界第一颗定点式（Fixed point）DSP单芯片TMS32010（16/32位）开始，数字讯号的处理又进入了一个崭新的阶段，从此我们可以实时处理大量的数字讯号，DSP单芯片得以广泛的应用在各种领域，如声音处理、语音合成、图像处理、数字控制等，成为高科技应用的主流之一。

近年来由于半导体技术、计算机技术的成熟与快速发展，使得科技与生活密切结合，尤其是数字讯号处理技术的突飞猛进，以及许多组件得以数字化及积体化，提供了小型、多功能、低成本与低功率损耗的特性。由于数字讯号先天上优于模拟讯号，因此数字讯号对噪声的免疫力远较模拟讯号来得好，讯号能长时间的保存或长距离的传送且较不易产生失真现象，因此近年来发展快速，成为一种主流的学识。一般数字讯号处理的过程如(图一)。

数字讯号是指讯号的参数是离散（如信号的时间和大小等），因为参数的取值是离散的，故称为数字讯号。A/D转换器的主要功能，是将输入的模拟讯号转换为以数字方式来表示，再来对数字讯号做处理，得到的结果再经D/A转换器还原成模拟的输出讯号。当讯号都数字化后，接下就是要将讯号作适当处理，这就是数字讯号处理领域核心之所在。数字讯号处理包括对讯号的数字滤波、频谱分析等等。傅立叶变换是将讯号由时域转到频域来分析处理讯号。另一重要的分析理论工具是Z转换，Z转换也可用来设计或描述此种数字滤波器的功能，同时也是常用来分析处理信号的好工具。

《图一 一般数字讯号处理的过程》 数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）

＜数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）＞

DSP相关应用范围广泛

DSP可广泛应用在各种不同的领域，如(表一)所示，以下深入介绍DSP在通讯、工业控制与语音、影像等几个较主流领域的应用趋势。

DSP通讯应用方面

通讯可以说是地球村中最强而有力的传播方式，从最早的有线电话到无线电话，演变成到现今利用人造卫星作为无线通信，使得信息的交流更为便捷。通讯技术的进步，让通讯的内容不再是只有声音或电报码，它有可能是计算机数据，更有可能是高容量的视频信号，随着讯息内容不同，以及接收端设备的多样化，进而延伸出不同通讯方式。最基本的通讯系统方块图如(图二)：

《图二 基本通讯系统图》 数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）

＜数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）＞

任何讯号在经过传输信道时都会遭到噪声干扰，而使得传输讯号失真，也可能因为传输距离的增加使得讯号衰减，像是(图三)所示。如果我们能够使用数字讯号，由于数字的准位只有两种状态，因此还原讯号时较容易，可以避免噪声干扰。如采用模拟通讯时，噪声所造成讯号大小就比较难以还原。

《图三 信道传输之效应图》 数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）

数字通讯还有其他优点，它比较便宜，也比模拟系统可靠多了，在系统的设计上也较有弹性，因为在相同的硬件架构，只要修改程序，就可以达成不同的讯号协议。数字讯号可被分成一块小封包（packet），如此这些小封包可以各别处理，如通讯不良，可再重送。由于讯号已被切割成一个个小单位，重送时并不会花费太多时间；此外利用分时多任务的技巧，可在同一信道下，将数据传给多个不同的接收者，如此，传输信道的效能增加而减少了通讯成本。另外，数字数据容易编码，可确切保障通讯的保密性。数字通讯有着如此多的好处，使得它成为未来通讯的唯一选择。

DSP在工业控制上的应用

DSP的应用最成功的领域可以算是控制系统。主要可分为两大类﹕一为循序控制（sequential Control），二为伺服控制（servo control）。循序控制基本上是控制事件（Event）发生的顺序，而伺服控制则是依回授讯号去控制一物理量的状态或值。在计算机外设及办公室自动化设备方面，硬盘机、光驱、打印机等设备中都有极精密的控制机构，可用DSP作为伺服控制的核心。而在电机机械、交流马达及直流无刷马达等方面，都是工业界最普遍的动力来源，其中如工具机、机械臂、电动车都是应用DSP来控制。此外，纯电子系统中的不断电纟统（UPS）也可利用DSP的技术。

交流马达通常有三相，也就是三组线圈，马达出力圈电流之关系并非如同直流马达那样线性，而是十分复杂的函数，必须计算相位以及三角函数才能求解，且三相间之电流及扭力矩还互相耦合，这些运算必须利用DSP，以数字方式才能精确计算以达到要求，也因DSP的应用，交流伺服马达才得以在工业界点大量使用。另一个所要介绍的应用是UPS；UPS和交流伺服马达同属电力电子的范畴，其基本原理为断电时，控制蓄电器中的电力输出，通常蓄电器蓄的是直流电，但电力输出时，必须转换为交流电。而转换的方式，就是利用控制系统去控制输出讯号之任务周期（duty cycle），使输出成为一般我们想要的60Hz、110V的交流讯号，且输出的交流讯号不可以有突波产生，否则很可能会损坏接在UPS上的电气设备。因此我们对电源方面的控制就必须精确地控制，而其计算也是相当复杂，正好可以利用DSP之长处，达到此一要求。

DSP在音响及语音方面之应用

人类听觉范围内的声音，其频率最低为20Hz，最高可达到约20KHz，所以DSP所须处理的声频就是在20Hz至20KHz之间。主要可分成两大类：一是消费性电子产品，如数字音响设备；二是数字语音方面的处理。

数字音响设备是音频讯号处理应用最普遍的地方。例如均衡器（Equalizer）是音频用带通滤波器，将不同频率范围的讯号分别滤出，然后各别放大或缩小处，最后再合成。以往均衡器大多采用模拟方式处理，但目前已逐渐被数字滤波器取代，像是CD唱片的音源是数字讯号，而且数字系统可程序的性能，可以在数字均衡器中默认好许多组设定值，这些设定值可针对不同的音乐风格（例如爵士、摇滚、古典音乐），做不同的讯号处理，即使外行人在使用也可以选择适当的默认值，而达到最佳音乐效果。卡拉OK伴唱机中的回声、升key、降key处理，以及自动接唱等功能，可由一颗专用的数字讯号处理芯片来达成。其次如电子合成音乐就是用数字的方式合成讯号，制造出音乐或声响。而目前PC中必备的声卡，就有专用的音乐合成芯片，也是属DSP。

人类发声的频率范围最低在200～300Hz，而最高在2～3KHz，它比听觉范围小了许多。语音频号处理（即指处理人说话的声音）最早是用在讯号压缩技术，将语音数字化再压缩后，可使信道的效能提高；如(图四)。另一语音处理的应用是语音识别，主要是将语音透过辨识系统，自动转换成文字，也可说是计算机听觉。由于语音识别的演算极为复杂，为了达到实时辨认，也必须配合高速DSP才能实现。

《图四 语音方块图》 数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）

DSP在视讯影像方面之应用

视讯媒体是现今世界上传递讯息最强而有力的媒体，而数字讯号处理在视讯方面的应用更是广泛。高画质电视（HDTV），更是大量应用数字处理的技术。想在任意两地间实时传递视讯，目前最方便且最普遍的方法，就是利用电话网络，透过电话网络传递影像数据，并利用视讯电话作为终端设备。可是由于电话线的带宽有限，基本上是无法传送如此高频的视频信号，因此必须先将视频信号数字化，再利用图像处理的技术，将讯号中人眼不敏感的讯号成份滤除，并将数据压缩以减少数据量，最后将减量的数据藉由电话线传送至接收端，再由接收端解压缩还回视频信号。在视讯电话中的影像滤波及压缩、解压缩技术都须大量数学运算，因此必须设计专用DSP来达成。

图像处理是视讯处理的基础，视讯通常是指动画影像，这里所指的图像处理是强调静态画面的处理；如(图五)。由于影像是二维的，因此数字的影像记录方式是利用二维的点矩阵内存，来表示像平面上每个点的讯号。由于影像是二维的，其讯号处理方式和一般一维讯号处理方式稍有不同，其最基本的处理工具有﹕二维快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform；FFT）以及二维褶积（convolution）运算。利用二维FFT，可将二维影像转换为二维频谱，再将高频讯号衰减，然后使用逆向FFT将频谱还原为影像，可以消除画面中的高频噪声。利用FFT处理彩色画面，也可很容易地调整色彩的彩度及对比。

《图五 视讯图像处理图》 数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）

＜数据源:Source：拓墣产业研究所（2003/11）＞

双核心架构将成手持式平台主流

随着DSP硬件结构和性能的不断改善，DSP的开发环境和支持软件也得到了迅速的发展，用DSP来作实时（real time）的处理已成为当今和未来技术发展的一个新焦点，也创造了前所未有的广阔空间，DSP能在通讯系统、图像处理、音频处理及控制系统...等重点产业上获得更大的效益。然而以仿真人类思考、判断的行为方式所发展出来的信息通讯及民生电子，都朝向数字化发展。而数字信号处理器，则是数字化产品所共通需要的关键零组件，它可对声音影像或通讯等讯号进行接收压缩储存或传送之工作，可提升产品的质量。

《图六 OMAP5910 Processor System Diagram》 数据源:Source：Texas Instruments

＜数据源:Source：Texas Instruments＞

DSP采用数据总线指令，总线各自独立的平行架构，迥异于CPU采用单一总线提供数据传输与程序执行共享，但是伴随着电子产品功能的发展，DSP与MCU非但必须互相搭配，让DSP满足实时而快速的运算要求，而且MCU达成产品复杂功能的控制要求，在芯片高度整合的推波助澜下，RISC MPU将会见机渐渐被整合进DSP中，尤其在高阶消费性电子与通讯产品方面；如(图六)。

DSP市场发展趋势

2002～2007年泛用型DSP市场预估复合成长率为21.8％

过去两年来第一次，首次看到有知名市场调查机构调升了全球泛用型DSP芯片市场的预估，依据WSTS的统计，2003年前三季DSP出货量比2002年同期上升了13.6％，而当我们和同期全球IC市场仅有2.3％的增幅来作比较，DSP芯片明显是大赢家。从最近市场龙头TI对手机前景乐观的预期，调查机构Forward Concepts把2003年泛用型DSP市场从之前预估的成长15％调整到成长20％，而2004年的预估也从成长20％调升到成长25％，而2002年到2007年的复合成长率预估为21.8％，如(图七)。

《图七 全球泛用型DSP芯片市场需求预估图》 数据源:Source:：Forward Concepts（2003/11）

＜数据源:Source:：Forward Concepts（2003/11）＞

DSP市场将快速向亚太地区移动

DSP市场版图向亚太地区移动已经是不可抵挡的趋势，(表二)显示了全球主要区域的DSP市占率变动情况，我们可以发现日本市场占有率快速上升，主要是受消费性电子和手机应用成长之赐；亚太地区主要包括南韩和中国加上其它的国家现在已经是全球最大的数字无线消费地区，而数字无线技术的核心组件就是DSP，从2003年前三季的统计，无线应用已经占DSP市场的67.7％，如(表三)。

消费性市场快速窜起刺激DSP芯片需求

虽然无线应用是DSP最大的应用市场，但是消费性DSP IC市场占有率在2003年前三季却比去年同期成长了75.6％，这主要是因为影音娱乐产品大行其道所致，主要产品像是Set Top Box和DVD，其它DSP-based的产品包括像是A/V Receivers和MP3-type Players和数字相机（Digital Still Cameras）也都销售畅旺；而除了通讯跟消费应用之外，Multipurpose应用的市占比率比2002年前三季同期增加了11.8％，这主要是一些高效能和高质量的市场，而主要应用在电信设备的Wireline市场则相对消退了4.5%，如表三所示。

而表面上看来，计算机与周边（主要由Disk Drive Controllers所组成）产品市占率比2002年同期消退了43％，但实际的情况是，因为Disk Drive Controllers已经变成了SoC（或ASIC），它们不再单纯被称为DSP芯片了，而是被归类到庞大Embedded DSP市场的一部份。同样的SoC趋势也发生在DSP-based DSL芯片、DSP Camera芯片和许多其它所谓的ASIC产品上，所以总体的DSP core的SoC产品的出货量势必将比泛用型DSP芯片来的高，也就是说除了一般用途的DSP市场外，还包括ASIC DSP、Function-Specific DSP、Reconfigurable DSP、Media Processors甚至MPU/MCU双核心产品。

结语

嵌入式DSP处理器市场将于2005年超过50亿美元

当我们仔细检视整个DSP产品截至目前为止的发展过程，我们可以很清楚的了解到这是一个从标准化产品为出发点，进而朝向客制化发展的轨迹，高复杂度的嵌入式DSP系统产品包含至少一个嵌入式的DSP Core，加上各样的逻辑、内存与（或）模拟组件，这将会比现有市场上所有系统中的IC项目多出50％到100％的价值，而这类产品最大的供货商包括Agere Systems和Motorola等厂商。

《图八 2003～2007年全球嵌入式处理器市场预估图》 数据源:Source：Gartner Group（2003/09）

＜数据源:Source：Gartner Group（2003/09）＞

未来客制化、高复杂度、系统级设计和效能将是继高整合度趋势后驱动DSP市场的动力，另外就是系统空间限制的问题，高复杂度芯片可以大大减少产品的体积，不过因为产品实时上市始终是一个很重要的考虑，而高复杂度设计的芯片，因为产品从设计到量产将会花费12到24个月的时间，所以目前是处于备用方案的定位。不过未来随着系统开发时程的缩短，开发成本的降低，嵌入式DSP产品必然会在要求多功能及轻薄短小的市场趋势下快速窜起。根据Gartner Group的统计数字显示，嵌入式DSP处理器市场将于2005年超过50亿美元，如(图八)，而调查机构In-Stat也预估，在嵌入式DSP市场方面，有线和无线的高阶通讯运用将会超过四分之三的市场量，在区域方面美国将会是最大的市场，约占有接近一半的市场消耗量，而欧洲和日本市场则次之。

DSP产业呈寡占市场

在全球的DSP市场当中，TI的DSP系列产品对于整个DSP产业与相配合的应用产品的发展一直扮演着重要的领导地位，除此之外，包括了Analog Devices（ADI）、Agere、LSI Logic、Motorola、Cirrus Logic、Tensilica（IP）、DSP Group（IP）甚至国内智原科技（IP）等等不同规模的业者都先后推出了DSP产品或其所需的IP等等不同的软硬件组合，以供应用产品业者选择。

TI一直占有DSP四成左右的市场，如(表四)，且占有率持续扩大中，Motorola则从2001年的第三名跃升到2002年的第二名，而Agere自从由Lucent分割出去之后，即为沉重的债物负担所苦，表现欠佳。表现最突出的要属Motorola，2002年的营收比2001年成长33.6%，这主要归功于母公司手机市占率的提升，以及采用更多自家的DSP所致；展望未来，虽然Motorola有意减少半导体部门营运的比重，但是对整体产业影响有限，DSP产业依然呈寡占市场，短期之内不会出现太大的变化。

（作者任职于拓墣产业研究所）