1 　引言

　　20世紀末，全球范圍內興起的信息革命浪潮，為汽車工業(yè)的突破性發(fā)展提供了千載難逢的機遇，信息技術的廣泛應用是解決汽車帶來的諸如交通擁擠、交通安全、環(huán)境污染、能源枯竭等問題的最佳途徑。同時，隨著汽車電子技術的發(fā)展，電子組件所占整車成本的比例也逐步上升。據統(tǒng)計資料表明，目前，在歐美國家生產的汽車上，電子組件已占到汽車總成本的20%～30%，并且，車用電子組件還以每年8.8％的速度快速增長，特別是數字信號處理器芯片（DSP）的用量更是將以每年25％的速度增長。估計到2005年，汽車電子組件的市場規(guī)模，將達到170億美元。由此可見，電子化、集成化、數字化、信息化、網絡化、智能化、小型化和個性化已經成為并且還將繼續(xù)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文僅集中探討汽車電子中基于DSP和FPGA的數字化應用技術。

　　DSP和FPGA技術在許多領域均有廣泛的應用，在汽車電子領域也有它廣泛的應用舞臺。由于具有極強的實時性，使其對話音進行實時處理成為可能；由于它是通過面向芯片結構指令的軟件編程來實現其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設計方案或原有功能，具有極大的靈活性；又由于 DSP和FPGA芯片并非專門為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產量大、價格可以降到很低。所以，DSP和FPGA在汽車電子系統(tǒng)中大量應用，將會極大地促進汽車電子技術的發(fā)展。

　　2　 DSP和FPGA在汽車電子中的應用比較

　　DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件，是通過可下載的軟件或固件來實現擴展算法和數字信號處理功能的，其最典型的用途是實現FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構造單元是被稱為MAC的乘加器，它通常被集成在數據信道中，這使得指令周期時間可以跟硬件的算術周期時間相同。此外，DSP芯片還有若干個獨立的片內存儲器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(huán)(PLL)、振蕩器、幾條8位或16位的總線、時鐘中斷電路等。為滿足無線便攜式器件無電保存數據的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術。當前，大多數的DSP芯片采用改進的哈佛結構，即數據總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數據可以同時進行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術，將取指、取操作數、執(zhí)指等步驟的指令時間可以重迭起來，大大提運算速度。

　　FPGA 指的是現場可編程門陣列，它的基本功能模塊是由n輸入的查找表，存儲數據的觸發(fā)器和復路器等組成。這樣，只要正確地設置了其中的數據，查找表就能夠通過對中的數據的讀取而實現輸入的任意布爾函數。觸發(fā)發(fā)器則用來存儲數據，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息。復路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，就可以實現不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內部結構的特點，它可以很容易的實現分布式的算法結構，這一點對實現汽車電子中的高速數字信號處理十分有利。由于FPGA器件實現的各功能塊可以同時工作，從而實現指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現的計算系統(tǒng)可以達到現有通用處理器的數百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無線接口數的線形函數，因此有可能在很少的幾片甚至一片FPGA中集成一個支持所有標準的系統(tǒng)。不過，由于現有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的，導致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時間上效率非常高，而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設計能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設計方法還有一定的局限性，還不能提供 FPGA布局布線的優(yōu)化和約束。

　　3　 汽車電子中的DSP和FPGA應用

　　提到汽車電子的數字化，不能不想到目前無線通信很看好的軟件無線電技術，盡管它是針對無線通信的，但軟件無線電所要實現的思想，與汽車電子之所以要數字化處理所追求的目標卻是殊路同歸的。因此，有必要提及和采用這一技術的實現思路和思想。軟件無線電概念的首次明確提出是在1992年5月，由MITRE 公司的Joe Mitola提出，它是當今計算技術、超大規(guī)模集成電路和數字信號處理技術在無線通信中應用的產物；它所追求的基本思想和目標是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將多種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，以實現具有高度靈活性，開放性的通信產品。因此，對于汽車電子數字化產品的研究，完全可以吸取軟件無線電的以下主要思想：第一，要使汽車電子產品擺脫硬件結構的束縛；第二，并不是不要硬件；第三，汽車電子產品應該具有開放性和兼容性，開放是指對使用的開放、對生產的開放和對研制的開放。下面，就基于軟件無線電的思想探討DSP和FPGA在汽車電子中的主要應用。

　　3.1基于DSP和FPGA的車用語音信號處理

　　汽車電子產品中的語音處理主要涉及到語音的數字化處理、語音編解碼、語音壓縮和語音識別。國外比較熱門的汽車電子產品之一就是語音識別系統(tǒng)，語音識別系統(tǒng)具有潛在的應用前景，包括聲控電話、語音操作導航、聲控選擇廣播頻道、防盜語音鑒別等。例如，一種基于隱式馬可夫模型（HMM）的與講話人無關、 100條指令識別的應用，由文獻可知，那幺聲學HMM模型的大小將為。進行包括輸入語音采樣的細分/開窗、MFCC提取、概率計算和Viterbi搜尋等適時處理，對DSP的運算量要求一般為10000萬次乘加（MAC）運算。對于連續(xù)語音信號的識別，則要求更好的數字信號處理速度和更大的存儲空間。

　　由于語音識別系統(tǒng)要對聲音進行實時處理和采樣，需要大量的運算，如果以它們20%的計算資源分配用于1000萬次MAC語音識別應用，那么需要處理器能夠具有5000萬次MAC的能力。因此，必須采用DSP和FPGA才能完成其任務。DSP和FPGA的處理速度對語音信號處理應用系統(tǒng)的復雜性和性能起著決定性作用，高速DSP和FPGA的實現可實現聲道自適應和聲域自適應等現代語音處理和識別技術。從理論上講，DSP和FPGA處理速度越快，汽車語音處理和識別產品的應用性能就越好。

　　隨著應用日益多樣化， DSP和FPGA演變成不再是一塊獨立的芯片，而變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核和專用邏輯“膠結”在一起形成專用DSP和FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前，還出現把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。汽車電子系統(tǒng)使用通用DSP和FPGA來實現語音合成，糾錯編碼。而語音合成、語音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應用，矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。