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DSP技術(shù)推動(dòng)智能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
數字信號處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛DSP技術(shù)圖解的應用。數字信號處理是利用計算機或專(zhuān)用處理設備，以數字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。
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)域面對著(zhù)諸多挑戰。首先，IoT領(lǐng)域的通信標準紛繁復雜，令人眼花嘹亂;而且這些標準還在不斷演進(jìn)，這是由于不同的IoT設備需要多種不同的通信標準來(lái)滿(mǎn)足不同的覆蓋范圍和通信帶寬要求。
換句話(huà)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)連接性必須是智能的和可擴展的。一個(gè)智能IoT平臺需要3個(gè)主要構件：連接性、環(huán)境感知和智能處理。顯而易見(jiàn)地，這個(gè)智能平臺需要處理很多數據，而一個(gè)以DSP為基礎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建的智能IoT平臺。讓我們從物聯(lián)網(wǎng)連接性所面對的挑戰開(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)支持多種連接性標準來(lái)實(shí)現智能IoT設備。以智能家居為例，IoT設備大多使用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設備將依賴(lài)LTE進(jìn)行家庭環(huán)境之外的云連接�；贑EVAXC DSP的軟件PHY可以實(shí)現多標準無(wú)線(xiàn)連接平臺的創(chuàng )建。
CEVA的WiFi平臺基于CEVATeakLite-4 DSP外加PHY和MAC硬件，可以擴展支持其他連接性標準，并且在IMb/s 802.lln的條件下功耗低于30mW。其次，CEVA的藍牙平臺使用與WiFi解決方案相同的DSP產(chǎn)品TeakLite-4，同時(shí)支持傳統藍牙和低功耗藍牙(BLE)。
藍牙控制器協(xié)議棧在CEVATeakLite-4上運行，而基帶硬件則與TeakLite-4 DSP內核集成。下一代藍牙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)連接性標準是LTE MTC(Machine Type Communication).LTE CATO是首個(gè)滿(mǎn)足MTC需求的3GPP Category，MTC提升LTE覆蓋范圍至高達15dB，并且可以使用2個(gè)AA電池運行長(cháng)達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。以運行WiFi和HD音頻解碼并具有音頻后處理特性以增強音效體驗的便攜式WiFi互聯(lián)網(wǎng)收音機為例，使用CEVATeakLite-4等內核處理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(zhù)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)音識別的指令和進(jìn)行說(shuō)話(huà)人身份確認，并且在偵測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，能夠執行運動(dòng)檢測、夜視和面部識別等功能，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)自傳感器的數據，而且越來(lái)越多的傳感器生成大量的數據和信息，必須以極低的功耗來(lái)處理。
三、傳感器互聯(lián)網(wǎng)
有很多種用于運動(dòng)、聲音、視覺(jué)、健康和其他環(huán)境數據采集的傳感器。生物特征傳感器對于可穿戴設備非常重要，因為它們能夠與皮膚和肌肉接觸，并且使得健康監測更持久。多個(gè)運動(dòng)感測及多種位置和環(huán)境感測應用程序使用麥克風(fēng)、攝像頭和環(huán)境傳感器。還有信標和三角測量設備，它們用于在沒(méi)有GPS信號的商場(chǎng)和機場(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、校準等方法“清理”信號以提取數據。為了校準和獲得有意義的數據，不可避免地要進(jìn)行大量信號處理。而這造成了一個(gè)兩難問(wèn)題，一方面手機和IoT設備OEM廠(chǎng)商要求alwavs-on感測應用的功耗控制在數毫安的水平，另一方面大量信號處理會(huì )帶來(lái)功耗的增加。
四、使用DSP進(jìn)行智能感測
早期的傳感器融合功能通常作為應用處理器軟件的一部分而運行，但是這種方法的功耗太高了。接下來(lái)，OEM廠(chǎng)商開(kāi)始使用sensor hub，這通常是一個(gè)進(jìn)行簡(jiǎn)單加速度計或運動(dòng)感應處理的精簡(jiǎn)MCU。這種方法存在同樣的問(wèn)題，就是OEM廠(chǎng)商需要功耗很低的解決方案。
基于DSP的感測解決方案可以節省功耗，并同時(shí)執行多種感測任務(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)習過(guò)程和預先設定的規范來(lái)執行環(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DSP的需求。
CEVA DSP解決方案既可以實(shí)現在sensor hub中，也可以實(shí)現在應用處理器中。
CEVA-TL410 DSP內核可以在功耗低于150μW的條件下實(shí)現alwayson傳感器融合、語(yǔ)音觸發(fā)、人臉觸發(fā)和低功耗藍牙(BLE)功能。它不僅可以嵌入到單獨的sensor hub芯片或者音頻編解碼芯片中，DSP內核和子系統也可以集成進(jìn)應用處理器本身。
IoT的目的就是要把各種物件連接起來(lái)，但這并不意味著(zhù)它們天生是具有智能處理功能。
讓我們以智能家居為例，IoT家庭控制器設備必須是智能的，它可以通過(guò)匯總本地設備上的數據來(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實(shí)現基于連接性、感測和智能處理部件的智能IoT設備的創(chuàng )建。
五、本地智能為何重要
我們如何才能使得IoT設備具備更高智能?今天大量的IoT處理是在云端進(jìn)行，但是，對于語(yǔ)音識別、目標識別和數據分析等應用，在設備側進(jìn)行本地處理是很有價(jià)值的。在大多數情況下，若要把來(lái)自傳感器、麥克風(fēng)、相機和其他來(lái)源的所有數據都傳送到云端是根本不可行的。另一方面，位于IoT設備內部并且具有全部所需外設的DSP子系統能夠提供功能強大的智能處理系統，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)用信號處理應用提供了低功耗優(yōu)勢，并且可以節省寶貴的通信網(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優(yōu)勢，就是避免了信息(例如攝像頭和麥克風(fēng)的輸入)從IoT設備傳向云端時(shí)可能引起的安全和隱私問(wèn)題。
例如，基于DSP的音頻分析能夠執行聲音分類(lèi)和分析，用于語(yǔ)音識別和說(shuō)話(huà)人身份識別應用。它能夠根據您的語(yǔ)音聲調識別緊急情況，或者報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)現包括精確聲音分析所需的高強度降噪在內的許多智能處理。
另外還有基于DSP的計算機視覺(jué)和視頻分析，能夠以遠低于CPU或GPU的功耗來(lái)執行場(chǎng)景分析等任務(wù)。越來(lái)越多的具備目標檢測、面部識別和手勢識別等功能的IoT設備配備了攝像頭，而且需要復雜的視覺(jué)分析能力，而CEVA公司的第四代計算機視覺(jué)引擎CEVAXM4能夠在本地處理大量的視頻數據，是這方面的理想選擇。
新、更加潔凈的晶圓代工廠(chǎng)、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。除了在單芯片內實(shí)現系統性能之外，模擬集成電路還提升了性能。
不管是數字IC還是模擬IC其功能均不是每年都有顯著(zhù)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的穩步演進(jìn)過(guò)程。在今后的10年乃至更遠的未來(lái)，我們可以期待模擬電路創(chuàng )新和性能將得到持續的改進(jìn)。
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