提升效能有一套　DSP專精視訊應用

簡單的說，數位訊號處理是將訊號以數位方式表示並處理的技術。而數位訊號處理與類比訊號(Analog Signal)處理都隸屬於訊號處理的子集。與類比訊號不同的是，數位訊號處理的主要目的是針對真實世界的連續類比訊號進行測量或濾波，因此在進行數位訊號處理之前，須要將訊號從類比領域轉換到數位領域，並透過類比數位轉換器(Analog to Digital Convertor, ADC)才能實現。反之，數位訊號處理的輸出若須要變換到類比領域，這項工作就由數位類比轉換器(Digital to Analog Convertor, DAC)來完成。  

也因為數位訊號處理的演算法與眾不同，須要利用數位訊號處理器和特定應用積體電路(ASIC)等各項電腦或專用處理設備才能進行，因此各終端裝置的開發人員都偏好採用具有高度靈活性、高精確性、抗干擾、小尺寸、造價低以及運作效能快的數位訊號處理技術及設備，並認為上述特性都是類比訊號處理技術與設備所無法比擬的。  

一般來說，數位訊號處理器的主要應用包括音頻訊號處理、音頻壓縮、數位圖像處理、視頻壓縮、語音處理、語音識別和數位通訊等，從這些應用可以看出與多媒體感官體驗有著極為密切的關聯。常見的實際應用包括個人電腦(PC)音效卡的超低頻(VLF)接收、高傳真音響設備中的音訊平衡、電影中的電腦動畫處理、醫療產業中的電腦斷層掃描(CAT)和核磁共振攝影(MRI)設備等，其他在一些專業應用中，也都常見到數位訊號處理器的身影，如天氣預報、地震數據處理、工業過程的分析和控制等，都是一例。而在一般家庭或是企業中最常見到的，就是與視訊相關的各式應用。  

視訊監控起飛 DSP受惠  

圖1　邁吉倫科技總經理彭永家表示，在監控系統的帶動之下，各式數位訊號處理器也隨之升溫。

為專精於多媒體視訊市場之無晶圓半導體廠商Stream Processor Inc.(SPI)進行台灣地區代理的邁吉倫科技(Magellan Discovery)，其總經理彭永家(圖1)表示，保全監控系統在2001年美國911事件以後，其需求就居高不下，並不斷刺激相關廠商對高畫質、高解析度監控系統的演進，也帶來數位訊號處理器近幾年的市場增長。  

近期就有報告指出，隨著網路監控(IP Surveillance)浪潮興起，智慧型監控軟體、網路錄影裝置(Network Video Recorder, NVR)及高附加價值產品將躍為主流，並可望在2008年獲得高度重視。  

根據該報告透露，安全監控產業將朝向IP監控化發展，除了過去類比監控錄影逐漸被數位式所取代之外，新興裝置如網路/數位錄影裝置(Network/Digital Video Recorder, NDVR/DVR)更造就了數位錄影市場蓬勃發展，並拉抬MPEG4 DVR成為市場主流；網路攝影機(IP Camera)的市占率也水漲船高，並牽動視訊監控裝置的走向。如因各式校園、電信業者、大眾運輸等業者對採購網路監控設備意願提高，可望帶來網路攝影機與影像伺服器(Video Server)40%以上的出貨成長，就成為最大的成長動力。而在相關監控裝置逐漸飽和以後，將以智慧型監控軟體及NVR為成長最快速之產品。  

就監控市場發展而言，受到各單位需求之帶動，相關參與業者日益眾多，因此彭永家預期未來監控環境需求仍將持續增溫，並一步步邁向高畫質之路。分析機構也以數據支持相關看法，預期H.264 DVR及NVR將成2008年主流產品，其中更以NVR大於40%的需求成長率，一舉超越DVR的需求成長。  

事實上，隨著業界將重心逐漸轉向數位網路系統，更多的動態資訊就已經可以較低的成本提供給使用者。再加上數位錄影機演進至混合式數位錄影機(Hybrid DVR)、網路攝影機或是NVR的問世，在在將監控系統帶往一個全新的境界。  

也因為這個全新世代的出現，高畫質、高效能、低成本與多通道的監控系統成為業界共同追尋的目標，也讓數位訊號處理器的熱度居高不下。以SPI的專精領域來看，其應用就含括影像目錄、影像搜尋系統、動態偵測與自動追蹤等進階功能。彭永家認為，隨著技術逐步成熟，企業與家庭應用的接受度也隨之提升，可望帶來大規模的採用。而隨著功能的演進，單價也將隨之提升，如日前中國大陸就傳出高階視訊設備產品的售價高達人民幣3萬元，成為振奮相關業者的一大利多。  

在視訊監控方面，以SPI的產品Storm-1(圖2)為例，就連結了特殊用途晶片與數位訊號處理器的特色，將彼此的效率與彈性發揮到極致。SPI認為，透過該公司的設計平台，將有助提供低風險、軟體導向的解決方案，以進行各種差異化與新標準演進的支援與更新。

資料來源：SPI 圖2　跟上整合風潮，SPI將系統中央處理器、編解碼器與視訊數位訊號處理統合，以帶來小尺寸、高度整合的目的。

近期監控產品頗為盛行，如國內安全監控廠商奇偶科技(GeoVision)就推出以數位訊號處理器為基礎的辨識技術及監控解決方案。該解決方案由於以數位訊號處理器為基礎，因此毋須以個人電腦(PC)為平台，也不需要風扇或硬碟等機械式裝置，即能擷取和提供視訊影像，同時大幅減少戶外環境變動對畫面的影響，成為數位訊號處理器的應用顯例之一。  

高畫質播放促成DSP演進  

除了監控系統以外，在各種視訊播放產品上，也是數位訊號處理器得以發揮之處。如德州儀器(TI)為讓消費者能透過不同的終端視訊產品觀看各種視訊內容，在稍早時發表採用DaVinci技術的數位媒體處理器，提供媒體閘道器、多點控制裝置、數位媒體轉接器、視訊保全數位錄影機和網路機上盒等裝置所需的視訊轉碼功能。該數位媒體處理器除了以數位訊號處理器為基礎外，亦支援即時多格式高畫質(High Definition, HD)視訊轉碼，以滿足用戶愈趨嚴苛的感官體驗。  

不過，值得一提的是，儘管談到高畫質視訊品質，但該系統若想提高效能並支援多種應用，還是需要如影音編碼解碼器和高畫質等級的資料串流處理等即時演算法才能完成。舉例來說，若處理器能同時整合數位訊號處理器與精簡指令集電腦運算(Reduced Instruction Set Computing, RISC)核心，即可由數位訊號處理器負責訊號處理作業、RISC執行控制、通訊和應用軟體。市場還有專為影音應用所設計的多核心數位訊號處理器，如前文提及德州儀器的數位媒體處理器，就包含視訊影像協同處理器(VICP)，以針對視訊編碼解碼器常見的特定作業提供硬體加速。  

於2007年12月發表的新型TMS320DM6467 DaVinci處理器，是以數位訊號處理器為基礎的系統單晶片，擁有完整的開發工具和數位媒體軟體，專門支援即時多格式高畫質視訊轉碼。這套系統解決方案整合ARM926EJ-S核心、600MHz C64x+數位訊號處理器核心以及一個高畫質視訊協同處理器(HD-VICP)、轉換引擎和目標視訊埠介面(圖3)，可同時執行多格式高畫質視訊編碼、解碼和轉碼，解析度最高為H.264 HPL4。

資料來源：德州儀器 圖3　德州儀器的新款產品一舉整合ARM9核心、數位訊號處理器核心及高畫質視訊協同處理器、轉換引擎和目標視訊埠介面，要提升效能以同時執行高畫質視訊編解碼的任務。

德州儀器亞洲區市場開發經理李松青(圖4)強調，DM6467乃以滿足商業和消費市場所需的高畫質轉碼功能而設計，多核心效能較前一代數位媒體處理器高出十倍。且因該產品整合ARM與數位訊號處理器核心及高畫質視訊影像協同處理器、視訊資料轉換引擎和目標視訊埠介面，因此各項工作可明確畫分，提升運作效能。  

圖4　德州儀器亞洲區市場開發經理李松青表示，隨著高畫質視訊需求的起飛，相關媒體處理器的效能也必須提升，才能滿足所需。

李松青進一步解釋，HD-VICP透過專用加速器提供3GHz以上的數位訊號處理效能，可執行HD 1080i H.264高級檔案類別(High Profile)轉碼；而視訊資料轉換引擎則能管理各種視訊處理作業，包括降低解析度、色彩取樣和功能選單的重疊顯示等功能。值得一提的是，多格式視訊轉碼只需不到300MHz的數位訊號處理器核心效能，其餘的處理頻寬仍能挪作其他應用功能處理。  

雖然DM6467的目標市場是需要轉碼功能的媒體閘道器和多方會談裝置，但李松青表示，該款處理器的彈性和效率也很適合視訊電話等必須同時執行高畫質編碼與解碼的應用，或是需要多通道標準畫質編碼功能的視訊安全應用。  

儘管高畫質逐漸成為各式視訊裝置的重點應用，但由於高畫質同時包含諸多不同類型的格式，業者勢必針對不同應用選定支援的格式，否則極可能忽略成本議題，投資將如泥牛入海，一去不復返。再加上各種應用尺寸大小、頻寬和終端售價皆不相同，並非所有設計都適合高畫質，因此更須確保各種編/解碼器和應用處理器(Application Processor)能在可接受的成本範圍內提供高度的訊號處理效能與系統設計彈性。  

DSP登上車內通訊舞台  

除了室內的監控與視訊系統以外，由於車內的多媒體播放系統日益複雜，選擇適當的數位訊號處理器也將可望為車廠節省大量的開發時間與成本，同時提升系統可靠度，因而引起另一波數位訊號處理器的投入風潮。如恩智浦(NXP)稍早時推出以數位訊號處理器為基礎之車用音訊處理器SAF7730，就特別強調軟體的助力，帶來容易修改或擴展的整體設計，同時在設計時為下一版本升級和產品差異化加分。  

在車用系統的整體架構(圖5)中，由於廣播收音(Radio)和音訊訊號處理是核心模組，因此常見到車廠選擇類比音訊處理器(ASP)或者以數位訊號處理處理器為核心基礎的的音訊處理器。

資料來源：恩智浦 圖5　車用系統雖然複雜，不過目前主流仍以一般音訊處理為主，並與其他周邊設備互為搭配。

如前文所提，類比式的處理器雖具有成本優勢，但卻不如數位訊號處理器般具有技術優越性。從下列特性及可看出兩者差異︰首先，數位訊號處理器核心的處理能力強，透過可編程的數位濾波器可提供較佳的輸出音質；而數位訊號處理器可藉由數位與類比介面支援多種外部音源，並將之擴展到各式音訊播放裝置，如DVD、MP3、數位廣播、語音識別等延伸功能皆在其列，因此也頗受重視；另外，因為類比音訊處理器先天上容易受到外在環境影響，反之，數位訊號處理器可提供穩定、可靠的性能，因此受到設計人員的認同。  

不能忽視的是，數位訊號處理器可透過軟體來增刪功能，較具彈性，允許用戶根據系統規格和目標成本選擇不同軟體版本的數位訊號處理器產品，或在韌體中內建客製化的特定功能，都更加貼近用戶需求。對半導體業者如恩智浦來說，設計開發單一的數位訊號處理器，只要透過軟體模組重複使用，就能在短時間內滿足不同需求，增強系統的靈活性和擴展性，自然頗受用戶好評。  

在車用音訊處理器方面，恩智浦瞄準的是高整合度的方向，如SAF7730是恩智浦推出的車用音訊處理器晶片，已經在歐洲和北美原始設備製造商(OEM)市場廣泛的採納。該產品以恩智浦自行設計的可編程數位訊號處理器為基礎，同時整合類比數位轉換器、數位類比轉換器和音訊選擇電路，在單一晶片內完成所有車用音訊處理常見的功能。  

針對SAF7730，恩智浦特別引入多核心處理架構，將處理能力攀升到650MIPS，並在廣播收音功能允許同時處理前端給出的兩路中頻(IF)訊號，藉此進行多徑干擾和臨近頻道干擾的去除，以獲取最好的接收音效。針對音訊處理功能，SAF7730能完成輸入音源採樣頻率轉換、第三方音效渲染等功能，並且透過協同處理器可支援高畫質收音(HD Radio)和數位版權管理(DRM)的應用。  

彈性化仍為最大誘因  

綜合以上所述，不管是在視訊、影像或電信市場中，由於標準各異，因此促使各家業者必須運用異質化、可重新組態的數位訊號處理器硬體平台，才能因應瞬息萬變的業界動態。  

事實上，截至2007年為止，由於正逢數位訊號處理器進入商用化25周年，在經過長期發展，數位訊號處理器逐漸走向多元化。據統計，至今數位訊號處理器出貨量已突破95億組，市調單位In-Stat也預估，2009年數位訊號處理器單年的出貨量即可達二十八億組，更加顯示相關應用的廣泛。  

事實上，業界人士認為，在具備高彈性的數位訊號處理器問世以後，相關消費性電子(CE)的設計就轉向以產品為先、晶片次之的發展順序，使目前主要集中在音訊、視訊娛樂領域的數位訊號處理技術逐步擴展至安全監控應用、車用電子、醫療等領域。尤其數位訊號處理器可將影像處理應用在各種標準和非標準視訊格式上，自然拓展其市場廣度。  

FPGA乘勢而起  

高彈性數位訊號處理器風起雲湧之際，也不容忽視現場可編程閘陣列(FPGA)的重要性。在追求彈性的風潮之下，受限於數位訊號處理器須在乘法加速器完成週期運作後才可重複運算，FPGA便乘勢而起，大大發揮其特性。如在FPGA元件中內含針對數位訊號處理應用的構造模組，即可藉此重複改變組態的電路，讓使用者進行編程的邏輯閘元件以提升設計空間的彈性。2007年時相關業者Altera就力推將數位訊號處理器整合至FPGA內，試圖藉由FPGA具備的平行處理計算能力，讓視訊處理更加完善。  

不過，FPGA與數位訊號處理器架構仍有差異，某種適合建置在其中一種元件的演算法，可能難以在另一種元件上發揮效率。舉例來說，當目標應用需要大量平行處理作業，或是極大的多重通道流量時，若完全依賴數位訊號處理器，就可能需要更多空間、成本和功耗。若以單一元件上的FPGA協同處理器進行運作，不僅能提供大量的平行處理乘法與加法運算作業，更能以較少的元件數量與功耗為許多應用產品提供相同效能。投入這塊領域的業者雖不多，但多已闖出名號，愛特(Actel)、萊迪思(Lattice)與亞爾特拉(Altera)皆為個中翹楚。  

總之，隨著各式消費性電子的抬頭，能夠為用戶提供高度彈性、低成本與高效能的基礎元件，身價自然不低，並成為業界當紅炸子雞。