DSP技術(shù)推動(dòng)智能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

　　數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛DSP技術(shù)圖解的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的目的就是要把各種物件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。然而，IoT世界中的連接性領(lǐng)域面對(duì)著諸多挑戰(zhàn)。首先，IoT領(lǐng)域的通信標(biāo)準(zhǔn)紛繁復(fù)雜，令人眼花嘹亂;而且這些標(biāo)準(zhǔn)還在不斷演進(jìn)，這是由于不同的IoT設(shè)備需要多種不同的通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足不同的覆蓋范圍和通信帶寬要求。

　　換句話說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)連接性必須是智能的和可擴(kuò)展的。一個(gè)智能IoT平臺(tái)需要3個(gè)主要構(gòu)件：連接性、環(huán)境感知和智能處理。顯而易見(jiàn)地，這個(gè)智能平臺(tái)需要處理很多數(shù)據(jù)，而一個(gè)以DSP為基礎(chǔ)的解決方案能夠很好地支撐基于連接性、環(huán)境感知和智能處理構(gòu)建的智能IoT平臺(tái)。讓我們從物聯(lián)網(wǎng)連接性所面對(duì)的挑戰(zhàn)開(kāi)始，逐一討論DSP技術(shù)如何推動(dòng)智能物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　一、經(jīng)由DSP實(shí)現(xiàn)的智能連接

　　基于DSP的軟件解決方案PHY通過(guò)支持多種連接性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能IoT設(shè)備。以智能家居為例，IoT設(shè)備大多使用WiFi連接，然而在沒(méi)有WiFi的情況下，它們能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至LTE網(wǎng)絡(luò)。

　　從安全角度來(lái)看，攻擊家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)或電力供應(yīng)是十分容易的，但是廣域LTE網(wǎng)絡(luò)卻難以被攻擊，因而IoT設(shè)備將依賴(lài)LTE進(jìn)行家庭環(huán)境之外的云連接�；�于CEVAXC DSP的軟件PHY可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線連接平臺(tái)的創(chuàng)建。

　　CEVA的WiFi平臺(tái)基于CEVATeakLite-4 DSP外加PHY和MAC硬件，可以擴(kuò)展支持其他連接性標(biāo)準(zhǔn)，并且在IMb/s 802.lln的條件下功耗低于30mW。其次，CEVA的藍(lán)牙平臺(tái)使用與WiFi解決方案相同的DSP產(chǎn)品TeakLite-4，同時(shí)支持傳統(tǒng)藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙(BLE)。

　　藍(lán)牙控制器協(xié)議棧在CEVATeakLite-4上運(yùn)行，而基帶硬件則與TeakLite-4 DSP內(nèi)核集成。下一代藍(lán)牙5.0將支持“audio over BLE”和“IPv6 0ver BLE”，而且支持更廣的覆蓋范圍。另一個(gè)令人期待的物聯(lián)網(wǎng)連接性標(biāo)準(zhǔn)是LTE MTC(Machine Type Communication).LTE CATO是首個(gè)滿足MTC需求的3GPP Category，MTC提升LTE覆蓋范圍至高達(dá)15dB，并且可以使用2個(gè)AA電池運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年。

　　二、性能優(yōu)于MCU/CPU

　　基于CEVA-TeakLite-4和CEVA-XC等DSP的IoT連接性方案勝過(guò)基于MCU的普遍解決方案。以運(yùn)行WiFi和HD音頻解碼并具有音頻后處理特性以增強(qiáng)音效體驗(yàn)的便攜式WiFi互聯(lián)網(wǎng)收音機(jī)為例，使用CEVATeakLite-4等內(nèi)核處理Wi-Fi和音頻的功耗僅為典型主CPU的六分之一。

　　在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境中有著多種低成本傳感器，以智能家居為例，一個(gè)IoT家庭控制器設(shè)備可能具有麥克風(fēng)，能夠收集語(yǔ)音輸入、處理用于語(yǔ)音識(shí)別的指令和進(jìn)行說(shuō)話人身份確認(rèn)，并且在偵測(cè)到玻璃破碎等可疑噪聲時(shí)，自動(dòng)呼叫保安公司。

　　家中可能還有CMOS圖像傳感器，能夠執(zhí)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、夜視和面部識(shí)別等功能，并且可發(fā)送信息告訴主人何人在家。

　　那么，DSP在感測(cè)領(lǐng)域中可發(fā)揮什么作用呢?首先，DSP使得人們可以分析和匯總來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，而且越來(lái)越多的傳感器生成大量的數(shù)據(jù)和信息，必須以極低的功耗來(lái)處理。

　　三、傳感器互聯(lián)網(wǎng)

　　有很多種用于運(yùn)動(dòng)、聲音、視覺(jué)、健康和其他環(huán)境數(shù)據(jù)采集的傳感器。生物特征傳感器對(duì)于可穿戴設(shè)備非常重要，因?yàn)樗鼈兡軌蚺c皮膚和肌肉接觸，并且使得健康監(jiān)測(cè)更持久。多個(gè)運(yùn)動(dòng)感測(cè)及多種位置和環(huán)境感測(cè)應(yīng)用程序使用麥克風(fēng)、攝像頭和環(huán)境傳感器。還有信標(biāo)和三角測(cè)量設(shè)備，它們用于在沒(méi)有GPS信號(hào)的商場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)中追蹤位置。

　　這些傳感器的輸出的噪聲水平可能很高，所以需要通過(guò)濾波、平滑、校準(zhǔn)等方法“清理”信號(hào)以提取數(shù)據(jù)。為了校準(zhǔn)和獲得有意義的數(shù)據(jù)，不可避免地要進(jìn)行大量信號(hào)處理。而這造成了一個(gè)兩難問(wèn)題，一方面手機(jī)和IoT設(shè)備OEM廠商要求alwavs-on感測(cè)應(yīng)用的功耗控制在數(shù)毫安的水平，另一方面大量信號(hào)處理會(huì)帶來(lái)功耗的增加。

　　四、使用DSP進(jìn)行智能感測(cè)

　　早期的傳感器融合功能通常作為應(yīng)用處理器軟件的一部分而運(yùn)行，但是這種方法的功耗太高了。接下來(lái)，OEM廠商開(kāi)始使用sensor hub，這通常是一個(gè)進(jìn)行簡(jiǎn)單加速度計(jì)或運(yùn)動(dòng)感應(yīng)處理的精簡(jiǎn)MCU。這種方法存在同樣的問(wèn)題，就是OEM廠商需要功耗很低的解決方案。

　　基于DSP的感測(cè)解決方案可以節(jié)省功耗，并同時(shí)執(zhí)行多種感測(cè)任務(wù)。超低功耗DSP將經(jīng)由麥克風(fēng)隨時(shí)偵聽(tīng)語(yǔ)音指令，并且在需要時(shí)喚醒主處理器，它還能夠通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程和預(yù)先設(shè)定的規(guī)范來(lái)執(zhí)行環(huán)境感知操作。生物特征傳感器的引入則進(jìn)一步增加了對(duì)DSP的需求。

　　CEVA DSP解決方案既可以實(shí)現(xiàn)在sensor hub中，也可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用處理器中。

　　CEVA-TL410 DSP內(nèi)核可以在功耗低于150μW的條件下實(shí)現(xiàn)alwayson傳感器融合、語(yǔ)音觸發(fā)、人臉觸發(fā)和低功耗藍(lán)牙(BLE)功能。它不僅可以嵌入到單獨(dú)的sensor hub芯片或者音頻編解碼芯片中，DSP內(nèi)核和子系統(tǒng)也可以集成進(jìn)應(yīng)用處理器本身。

　　IoT的目的就是要把各種物件連接起來(lái)，但這并不意味著它們天生是具有智能處理功能。

　　讓我們以智能家居為例，IoT家庭控制器設(shè)備必須是智能的，它可以通過(guò)匯總本地設(shè)備上的數(shù)據(jù)來(lái)提取有價(jià)值的信息，并且向您發(fā)送家中一切安好的信息。

　　以DSP為中心的解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)基于連接性、感測(cè)和智能處理部件的智能IoT設(shè)備的創(chuàng)建。

　　五、本地智能為何重要

　　我們?nèi)绾尾拍苁沟肐oT設(shè)備具備更高智能?今天大量的IoT處理是在云端進(jìn)行，但是，對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用，在設(shè)備側(cè)進(jìn)行本地處理是很有價(jià)值的。在大多數(shù)情況下，若要把來(lái)自傳感器、麥克風(fēng)、相機(jī)和其他來(lái)源的所有數(shù)據(jù)都傳送到云端是根本不可行的。另一方面，位于IoT設(shè)備內(nèi)部并且具有全部所需外設(shè)的DSP子系統(tǒng)能夠提供功能強(qiáng)大的智能處理系統(tǒng)，用于音頻和視覺(jué)分析。

　　基于DSP的本地智能處理能力為專(zhuān)用信號(hào)處理應(yīng)用提供了低功耗優(yōu)勢(shì)，并且可以節(jié)省寶貴的通信網(wǎng)絡(luò)帶寬以及云服務(wù)的成本。本地智能處理能力的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，就是避免了信息(例如攝像頭和麥克風(fēng)的輸入)從IoT設(shè)備傳向云端時(shí)可能引起的安全和隱私問(wèn)題。

　　例如，基于DSP的音頻分析能夠執(zhí)行聲音分類(lèi)和分析，用于語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話人身份識(shí)別應(yīng)用。它能夠根據(jù)您的語(yǔ)音聲調(diào)識(shí)別緊急情況，或者報(bào)告玻璃破碎和嬰兒哭泣等事件。CEVATL421音頻DSP是第四代原生32位DSP，實(shí)現(xiàn)包括精確聲音分析所需的高強(qiáng)度降噪在內(nèi)的許多智能處理。

　　另外還有基于DSP的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視頻分析，能夠以遠(yuǎn)低于CPU或GPU的功耗來(lái)執(zhí)行場(chǎng)景分析等任務(wù)。越來(lái)越多的具備目標(biāo)檢測(cè)、面部識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別等功能的IoT設(shè)備配備了攝像頭，而且需要復(fù)雜的視覺(jué)分析能力，而CEVA公司的第四代計(jì)算機(jī)視覺(jué)引擎CEVAXM4能夠在本地處理大量的視頻數(shù)據(jù)，是這方面的理想選擇。

　　新、更加潔凈的晶圓代工廠、更好的掩模處理、掩模和晶圓中缺陷密度的改良，以及晶圓尺寸的增大。除了在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能之外，模擬集成電路還提升了性能。

　　不管是數(shù)字IC還是模擬IC其功能均不是每年都有顯著的變化。在過(guò)去的40年中，它們的發(fā)展一直是一種不斷改善性能參數(shù)的穩(wěn)步演進(jìn)過(guò)程。在今后的10年乃至更遠(yuǎn)的未來(lái)，我們可以期待模擬電路創(chuàng)新和性能將得到持續(xù)的改進(jìn)。

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