曾經有一度DRAM和微處理器是帶動半導體產業成長的動力，而DSP（Digital Signal Processor；數位訊號處理器）隨著手機跟消費性影音產品需求大增，將會是驅動下一波半導體產業成長的明星，而亞太地區已經是通訊和消費性產品最大的消費區域，預估DSP市場將快速向亞太地區移動；而當我們檢視整個DSP產品的發展過程，我們可以很清楚的瞭解到這是一個從標準化產品為出發點，進而朝向客製化、系統化方向發展的軌跡。高複雜度的嵌入式DSP系統產品包含至少一個嵌入式的DSP Core，加上各樣的邏輯、記憶體以及（或）類比元件，這將會比現有市場上所有系統中的IC項目多出50％到100％的價值；根據市調機構Gartner Group的統計數字顯示，嵌入式DSP處理器市場將於2005年超過50億美元。

DSP基本介紹

自從1982年TI發明了全世界第一顆定點式（Fixed point）DSP單晶片TMS32010（16/32位元）開始，數位訊號的處理又進入了一個嶄新的階段，從此我們可以即時處理大量的數位訊號，DSP單晶片得以廣泛的應用在各種領域，如聲音處理、語音合成、影像處理、數位控制等，成為高科技應用的主流之一。

近年來由於半導體技術、電腦技術的成熟與快速發展，使得科技與生活密切結合，尤其是數位訊號處理技術的突飛猛進，以及許多元件得以數位化及積體化，提供了小型、多功能、低成本與低功率損耗的特性。由於數位訊號先天上優於類比訊號，因此數位訊號對雜訊的免疫力遠較類比訊號來得好，訊號能長時間的保存或長距離的傳送且較不易產生失真現象，因此近年來發展快速，成為一種主流的學識。一般數位訊號處理的過程如(圖一)。

數位訊號是指訊號的參數是離散（如信號的時間和大小等），因為參數的取值是離散的，故稱為數位訊號。A/D轉換器的主要功能，是將輸入的類比訊號轉換為以數位方式來表示，再來對數位訊號做處理，得到的結果再經D/A轉換器還原成類比的輸出訊號。當訊號都數位化後，接下就是要將訊號作適當處理，這就是數位訊號處理領域核心之所在。數位訊號處理包括對訊號的數位濾波、頻譜分析等等。傅立葉轉換是將訊號由時域轉到頻域來分析處理訊號。另一重要的分析理論工具是Z轉換，Z轉換也可用來設計或描述此種數位濾波器的功能，同時也是常用來分析處理信號的好工具。

《圖一　一般數位訊號處理的過程》 資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）

＜資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）＞

DSP相關應用範圍廣泛

DSP可廣泛應用在各種不同的領域，如(表一)所示，以下深入介紹DSP在通訊、工業控制與語音、影像等幾個較主流領域的應用趨勢。

DSP通訊應用方面

通訊可以說是地球村中最強而有力的傳播方式，從最早的有線電話到無線電話，演變成到現今利用人造衛星作為無線通訊，使得資訊的交流更為便捷。通訊技術的進步，讓通訊的內容不再是只有聲音或電報碼，它有可能是電腦資料，更有可能是高容量的視訊訊號，隨著訊息內容不同，以及接收端設備的多樣化，進而延伸出不同通訊方式。最基本的通訊系統方塊圖如(圖二)：

《圖二　基本通訊系統圖》 資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）

＜資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）＞

任何訊號在經過傳輸通道時都會遭到雜訊干擾，而使得傳輸訊號失真，也可能因為傳輸距離的增加使得訊號衰減，像是(圖三)所示。如果我們能夠使用數位訊號，由於數位的準位只有兩種狀態，因此還原訊號時較容易，可以避免雜訊干擾。如採用類比通訊時，雜訊所造成訊號大小就比較難以還原。

《圖三 通道傳輸之效應圖》 資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）

數位通訊還有其他優點，它比較便宜，也比類比系統可靠多了，在系統的設計上也較有彈性，因為在相同的硬體架構，只要修改程式，就可以達成不同的訊號協定。數位訊號可被分成一塊小封包（packet），如此這些小封包可以各別處理，如通訊不良，可再重送。由於訊號已被切割成一個個小單位，重送時並不會花費太多時間；此外利用分時多工的技巧，可在同一通道下，將資料傳給多個不同的接收者，如此，傳輸通道的效能增加而減少了通訊成本。另外，數位資料容易編碼，可確切保障通訊的保密性。數位通訊有著如此多的好處，使得它成為未來通訊的唯一選擇。

DSP在工業控制上的應用

DSP的應用最成功的領域可以算是控制系統。主要可分為兩大類﹕一為循序控制（sequential Control），二為伺服控制（servo control）。循序控制基本上是控制事件（Event）發生的順序，而伺服控制則是依回授訊號去控制一物理量的狀態或值。在電腦週邊及辦公室自動化設備方面，硬碟機、光碟機、印表機等設備中都有極精密的控制機構，可用DSP作為伺服控制的核心。而在電機機械、交流馬達及直流無刷馬達等方面，都是工業界最普遍的動力來源，其中如工具機、機械臂、電動車都是應用DSP來控制。此外，純電子系統中的不斷電糸統（UPS）也可利用DSP的技術。

交流馬達通常有三相，也就是三組線圈，馬達出力圈電流之關係並非如同直流馬達那樣線性，而是十分複雜的函數，必須計算相位以及三角函數才能求解，且三相間之電流及扭力矩還互相耦合，這些運算必須利用DSP，以數位方式才能精確計算以達到要求，也因DSP的應用，交流伺服馬達才得以在工業界點大量使用。另一個所要介紹的應用是UPS；UPS和交流伺服馬達同屬電力電子的範疇，其基本原理為斷電時，控制蓄電器中的電力輸出，通常蓄電器蓄的是直流電，但電力輸出時，必須轉換為交流電。而轉換的方式，就是利用控制系統去控制輸出訊號之任務週期（duty cycle），使輸出成為一般我們想要的60Hz、110V的交流訊號，且輸出的交流訊號不可以有突波產生，否則很可能會損壞接在UPS上的電氣設備。因此我們對電源方面的控制就必須精確地控制，而其計算也是相當複雜，正好可以利用DSP之長處，達到此一要求。

DSP在音響及語音方面之應用

人類聽覺範圍內的聲音，其頻率最低為20Hz，最高可達到約20KHz，所以DSP所須處理的聲頻就是在20Hz至20KHz之間。主要可分成兩大類：一是消費性電子產品，如數位音響設備；二是數位語音方面的處理。

數位音響設備是音頻訊號處理應用最普遍的地方。例如等化器（Equalizer）是音訊用帶通濾波器，將不同頻率範圍的訊號分別濾出，然後各別放大或縮小處，最後再合成。以往等化器大多採用類比方式處理，但目前已逐漸被數位濾波器取代，像是CD唱片的音源是數位訊號，而且數位系統可程式的性能，可以在數位等化器中預設好許多組設定值，這些設定值可針對不同的音樂風格（例如爵士、搖滾、古典音樂），做不同的訊號處理，即使外行人在使用也可以選擇適當的預設值，而達到最佳音樂效果。卡拉OK伴唱機中的回聲、升key、降key處理，以及自動接唱等功能，可由一顆專用的數位訊號處理晶片來達成。其次如電子合成音樂就是用數位的方式合成訊號，製造出音樂或聲響。而目前PC中必備的音效卡，就有專用的音樂合成晶片，也是屬DSP。

人類發聲的頻率範圍最低在200～300Hz，而最高在2～3KHz，它比聽覺範圍小了許多。語音訊號處理（即指處理人說話的聲音）最早是用在訊號壓縮技術，將語音數位化再壓縮後，可使通訊通道的效能提高；如(圖四)。另一語音處理的應用是語音辨識，主要是將語音透過辨識系統，自動轉換成文字，也可說是電腦聽覺。由於語音辨識的演算極為複雜，為了達到即時辨認，也必須配合高速DSP才能實現。

《圖四　語音方塊圖》 資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）

DSP在視訊影像方面之應用

視訊媒體是現今世界上傳遞訊息最強而有力的媒體，而數位訊號處理在視訊方面的應用更是廣泛。高畫質電視（HDTV），更是大量應用數位處理的技術。想在任意兩地間即時傳遞視訊，目前最方便且最普遍的方法，就是利用電話網路，透過電話網路傳遞影像資料，並利用視訊電話作為終端設備。可是由於電話線的頻寬有限，基本上是無法傳送如此高頻的視訊訊號，因此必須先將視訊訊號數位化，再利用影像處理的技術，將訊號中人眼不敏感的訊號成份濾除，並將資料壓縮以減少資料量，最後將減量的資料藉由電話線傳送至接收端，再由接收端解壓縮還回視訊訊號。在視訊電話中的影像濾波及壓縮、解壓縮技術都須大量數學運算，因此必須設計專用DSP來達成。

影像處理是視訊處理的基礎，視訊通常是指動畫影像，這裡所指的影像處理是強調靜態畫面的處理；如(圖五)。由於影像是二維的，因此數位的影像記錄方式是利用二維的點矩陣記憶體，來表示像平面上每個點的訊號。由於影像是二維的，其訊號處理方式和一般一維訊號處理方式稍有不同，其最基本的處理工具有﹕二維快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform；FFT）以及二維褶積（convolution）運算。利用二維FFT，可將二維影像轉換為二維頻譜，再將高頻訊號衰減，然後使用逆向FFT將頻譜還原為影像，可以消除畫面中的高頻雜訊。利用FFT處理彩色畫面，也可很容易地調整色彩的彩度及對比。

《圖五　視訊影像處理圖》 資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）

＜資料來源:Source：拓墣產業研究所（2003/11）＞

雙核心架構將成手持式平台主流

隨著DSP硬體結構和性能的不斷改善，DSP的開發環境和支援軟體也得到了迅速的發展，用DSP來作即時（real time）的處理已成為當今和未來技術發展的一個新焦點，也創造了前所未有的廣闊空間，DSP能在通訊系統、影像處理、音訊處理及控制系統...等重點產業上獲得更大的效益。然而以模擬人類思考、判斷的行為方式所發展出來的資訊通訊及民生電子，都朝向數位化發展。而數位訊號處理器，則是數位化產品所共通需要的關鍵零組件，它可對聲音影像或通訊等訊號進行接收壓縮儲存或傳送之工作，可提升產品的品質。

《圖六　OMAP5910 Processor System Diagram》 資料來源:Source：Texas Instruments

＜資料來源:Source：Texas Instruments＞

DSP採用資料匯流排指令，匯流排各自獨立的平行架構，迥異於CPU採用單一匯流排提供資料傳輸與程式執行共用，但是伴隨著電子產品功能的發展，DSP與MCU非但必須互相搭配，讓DSP滿足即時而快速的運算要求，而且MCU達成產品複雜功能的控制要求，在晶片高度整合的推波助瀾下，RISC MPU將會見機漸漸被整合進DSP中，尤其在高階消費性電子與通訊產品方面；如(圖六)。

DSP市場發展趨勢

2002～2007年泛用型DSP市場預估複合成長率為21.8％

過去兩年來第一次，首次看到有知名市場調查機構調升了全球泛用型DSP晶片市場的預估，依據WSTS的統計，2003年前三季DSP出貨量比2002年同期上升了13.6％，而當我們和同期全球IC市場僅有2.3％的增幅來作比較，DSP晶片明顯是大贏家。從最近市場龍頭TI對手機前景樂觀的預期，調查機構Forward Concepts把2003年泛用型DSP市場從之前預估的成長15％調整到成長20％，而2004年的預估也從成長20％調升到成長25％，而2002年到2007年的複合成長率預估為21.8％，如(圖七)。

《圖七　全球泛用型DSP晶片市場需求預估圖》 資料來源:Source:：Forward Concepts（2003/11）

＜資料來源:Source:：Forward Concepts（2003/11）＞

DSP市場將快速向亞太地區移動

DSP市場版圖向亞太地區移動已經是不可抵擋的趨勢，(表二)顯示了全球主要區域的DSP市占率變動情況，我們可以發現日本市場占有率快速上升，主要是受消費性電子和手機應用成長之賜；亞太地區主要包括南韓和中國加上其它的國家現在已經是全球最大的數位無線消費地區，而數位無線技術的核心元件就是DSP，從2003年前三季的統計，無線應用已經佔DSP市場的67.7％，如(表三)。

消費性市場快速竄起刺激DSP晶片需求

雖然無線應用是DSP最大的應用市場，但是消費性DSP IC市場占有率在2003年前三季卻比去年同期成長了75.6％，這主要是因為影音娛樂產品大行其道所致，主要產品像是Set Top Box和DVD，其它DSP-based的產品包括像是A/V Receivers和MP3-type Players和數位相機（Digital Still Cameras）也都銷售暢旺；而除了通訊跟消費應用之外，Multipurpose應用的市占比率比2002年前三季同期增加了11.8％，這主要是一些高效能和高品質的市場，而主要應用在電信設備的Wireline市場則相對消退了4.5%，如表三所示。

而表面上看來，電腦與周邊（主要由Disk Drive Controllers所組成）產品市占率比2002年同期消退了43％，但實際的情況是，因為Disk Drive Controllers已經變成了SoC（或ASIC），它們不再單純被稱為DSP晶片了，而是被歸類到龐大Embedded DSP市場的一部份。同樣的SoC趨勢也發生在DSP-based DSL晶片、DSP Camera晶片和許多其它所謂的ASIC產品上，所以總體的DSP core的SoC產品的出貨量勢必將比泛用型DSP晶片來的高，也就是說除了一般用途的DSP市場外，還包括ASIC DSP、Function-Specific DSP、Reconfigurable DSP、Media Processors甚至MPU/MCU雙核心產品。

結語

嵌入式DSP處理器市場將於2005年超過50億美元

當我們仔細檢視整個DSP產品截至目前為止的發展過程，我們可以很清楚的瞭解到這是一個從標準化產品為出發點，進而朝向客製化發展的軌跡，高複雜度的嵌入式DSP系統產品包含至少一個嵌入式的DSP Core，加上各樣的邏輯、記憶體與（或）類比元件，這將會比現有市場上所有系統中的IC項目多出50％到100％的價值，而這類產品最大的供應商包括Agere Systems和Motorola等廠商。

《圖八 2003～2007年全球嵌入式處理器市場預估圖》 資料來源:Source：Gartner Group（2003/09）

＜資料來源:Source：Gartner Group（2003/09）＞

未來客製化、高複雜度、系統級設計和效能將是繼高整合度趨勢後驅動DSP市場的動力，另外就是系統空間限制的問題，高複雜度晶片可以大大減少產品的體積，不過因為產品即時上市始終是一個很重要的考量，而高複雜度設計的晶片，因為產品從設計到量產將會花費12到24個月的時間，所以目前是處於備用方案的定位。不過未來隨著系統開發時程的縮短，開發成本的降低，嵌入式DSP產品必然會在要求多功能及輕薄短小的市場趨勢下快速竄起。根據Gartner Group的統計數字顯示，嵌入式DSP處理器市場將於2005年超過50億美元，如(圖八)，而調查機構In-Stat也預估，在嵌入式DSP市場方面，有線和無線的高階通訊運用將會超過四分之三的市場量，在區域方面美國將會是最大的市場，約占有接近一半的市場消耗量，而歐洲和日本市場則次之。

DSP產業呈寡占市場

在全球的DSP市場當中，TI的DSP系列產品對於整個DSP產業與相配合的應用產品的發展一直扮演著重要的領導地位，除此之外，包括了Analog Devices（ADI）、Agere、LSI Logic、Motorola、Cirrus Logic、Tensilica（IP）、DSP Group（IP）甚至國內智原科技（IP）等等不同規模的業者都先後推出了DSP產品或其所需的IP等等不同的軟硬體組合，以供應用產品業者選擇。

TI一直占有DSP四成左右的市場，如(表四)，且占有率持續擴大中，Motorola則從2001年的第三名躍升到2002年的第二名，而Agere自從由Lucent分割出去之後，即為沉重的債物負擔所苦，表現欠佳。表現最突出的要屬Motorola，2002年的營收比2001年成長33.6%，這主要歸功於母公司手機市占率的提昇，以及採用更多自家的DSP所致；展望未來，雖然Motorola有意減少半導體部門營運的比重，但是對整體產業影響有限，DSP產業依然呈寡占市場，短期之內不會出現太大的變化。

（作者任職於拓墣產業研究所）