FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的簡(jiǎn)單應(yīng)用

　　數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用于信號(hào)地濾波、語音、圖像、音頻、信息系統(tǒng)、控制和儀表設(shè)備?？?a target="_blank">編程數(shù)字信號(hào)處理器在20 世紀(jì)70 年代地引入更是使DSP 技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得巨大成功，這些PDSP 都是基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）計(jì)算機(jī)范例的架構(gòu)。它的優(yōu)勢(shì)源于大多說信號(hào)處理算法的乘－累加運(yùn)算（MAC）都是非常密集的。通過多級(jí)流水線架構(gòu)，PDSP 可以獲得僅受陣列乘法器的速度限制的MAC 速度。由此可以認(rèn)為FPGA 也能夠用來實(shí)現(xiàn)MAC 單元，且具有速度優(yōu)勢(shì)，但是，如果PDSP 能夠滿足所需要的MAC 速度，那么PDSP 在成本問題上更具有成本優(yōu)勢(shì)，但隨著FPGA 成本降低，這個(gè)優(yōu)勢(shì)正在縮小。另一方面，現(xiàn)在我們還發(fā)現(xiàn)了許多高帶寬的信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域，例如：無線電、多媒體或衛(wèi)星通信，F(xiàn)PGA 技術(shù)可以通過一個(gè)芯片上的多級(jí)MAC 單元來提供更多的帶寬。此外，在諸如CORDIC、NTT 和差錯(cuò)校正算法等算法中，F(xiàn)PGA 較PDSP 更有效率優(yōu)勢(shì)。

　　FPGA 技術(shù)的關(guān)鍵就是利用強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具以：

　　▲ 縮短開發(fā)周期。

　　▲ 提高器件資源利用率。

　　▲ 提供綜合器的選擇，例如：在最佳速度和設(shè)計(jì)規(guī)模之間做出選擇。

　　FPGA兼有串、并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明顯的特點(diǎn)，其時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，同時(shí)，在基于芯片的設(shè)計(jì)中可以減少芯片數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)和可靠性。正是由于FPGA具有這些優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PGA在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，將不會(huì)存在類似于MCU的復(fù)位不可靠和PC可能跑飛等問題。FPGA的高可靠性還表現(xiàn)在，幾乎可將整個(gè)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小了體積。與AMU設(shè)計(jì)相比，F(xiàn)PGA顯著的優(yōu)勢(shì)是開發(fā)周期短，投資風(fēng)險(xiǎn)小、產(chǎn)品上市速度快，市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)和硬件升級(jí)回旋碩士學(xué)位論文余地大，而且當(dāng)產(chǎn)品定型和產(chǎn)量擴(kuò)大后，可將在生產(chǎn)中達(dá)到充分檢驗(yàn)的VHDL設(shè)計(jì)迅速實(shí)現(xiàn)ASIC投產(chǎn)。

　　隨著大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入“片上可編程系統(tǒng)”（SOPC）的新紀(jì)元；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進(jìn)：在SOC芯片上可以將微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、邏輯電路、模擬電路集成在一個(gè)芯片上。而如果將可編程邏輯電路IP核集成到SOC芯片上則會(huì)大大提高SOC芯片的靈活性與有效性，并且縮短了SOC芯片的設(shè)計(jì)周期。因此國(guó)際各大公司都在積極擴(kuò)充其IP庫，以優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，擴(kuò)大市場(chǎng)。

　　綜上所述，與ASIC和通用DSP相比，F(xiàn)PGA器件能夠以高速、實(shí)時(shí)、低成本、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理成為數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的一種新的趨勢(shì)，它可以完全取代通用DSP芯片或作為通用DSP芯片的協(xié)處理器進(jìn)行工作。如果將通用處理器和FPGA融合在一起，把需要多個(gè)時(shí)鐘周期的運(yùn)算交給FPGA完成，DSP芯片主要完成單時(shí)鐘的運(yùn)算和控制FPGA的“可再配置計(jì)算”功能，會(huì)更好地將兩者的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。

　　蝶形運(yùn)算單元的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　蝶形運(yùn)算單元是FFT處理器的基本單元，用來計(jì)算兩點(diǎn)的FFT。由于蝶形運(yùn)算單元是由一個(gè)復(fù)數(shù)加法器、一個(gè)復(fù)數(shù)減法器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘法器組成，所以利用上面設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘法器和MAX+PLUSII中的lpm_add_sub模塊可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)蝶形運(yùn)算單元。基-2 FFT蝶形運(yùn)算單元的VHDL代碼見附錄B。從代碼中可以看出，蝶形處理器是由一個(gè)加法器、一個(gè)減法器和一個(gè)實(shí)例化為組件的旋轉(zhuǎn)因子乘法器實(shí)現(xiàn)的。對(duì)應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)的輸入輸出框圖如下圖所示：

蝶形處理器的輸入輸出框圖

　　對(duì)輸入值為A=20+30J、B=50+45j、旋轉(zhuǎn)因子C+jS=256×e∧jpi/9=121+j39時(shí)進(jìn)行仿真。仿真波形如下圖所示：

蝶形運(yùn)算單元的VHDL仿真波形

　　可見，所設(shè)計(jì)的蝶形處理器在MAX+PLUSII中對(duì)于輸A=20+30J、B=50+45j、旋轉(zhuǎn)因子C+jS=256×e∧jpi/9=121+j39時(shí)進(jìn)行仿真得到的輸出結(jié)果和理論上計(jì)算得到的結(jié)果是完全相符的，從而說明基于VHDL語言設(shè)計(jì)的蝶形處理單元的正確性。

　　本文通過設(shè)計(jì)一種基于FPGA的FFT探討了FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了蝶形運(yùn)算單元，并且進(jìn)行了仿真，通過比較可以看出仿真結(jié)果與理論值吻合的很好。本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于利用FPGA器件豐富的邏輯資源，內(nèi)嵌的RAM， ROM塊及其靈活的可編程特性使運(yùn)算速度較傳統(tǒng)方法有了很大提高。當(dāng)然付出的代價(jià)是用這種并行的結(jié)構(gòu)需求的硬件資源很多。

　　隨著芯片集成度的不斷提高，用這種并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的FFT運(yùn)算其優(yōu)越性將越來越明顯。而且用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的FFT很容易擴(kuò)展，只需要增加蝶形的個(gè)數(shù)和循環(huán)次數(shù)即可?；贔PGA的FFT/IFFT處理器由于其硬件上的并行性，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于一般的通用DSP。FPGA具有成千上萬的查找表和觸發(fā)器，因此，F(xiàn)PGA平臺(tái)可以利用更低的成本達(dá)到比通用DSP更快的速度。采用FPGA技術(shù)，還可以獲得高性能，滿足成本要求，并享有快速有效地對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的靈活性。這種基于并行算法的FFT/IFFT處理器，可以廣泛應(yīng)用在高速信號(hào)處理系統(tǒng)中。并且由FFT處理器的設(shè)計(jì)可以看出，前端的可編程數(shù)字信號(hào)處理算法，例如FIR和IIR濾波器，都可以利用FPGA構(gòu)建。

　　用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理在現(xiàn)代通信中將得到很廣泛的應(yīng)用。DSP IP是3G無線通信、數(shù)字音頻和視頻圖像處理、廣播、多信道多點(diǎn)分布服務(wù)（MMDS）以及正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)等新興應(yīng)用的理想選擇?？删幊踢壿嫼蛙汭P核的靈活性讓各個(gè)公司能夠讓他們的設(shè)計(jì)快速地適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前，Altera已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了DSP功能塊。Altera的DSP IP套裝包括標(biāo)準(zhǔn)DSP功能（如Turbo譯碼器）。IP核是靜態(tài)參數(shù)化的，這樣MegaWizard Plug-In Manager根據(jù)給定的一組參數(shù)生成最高效的硬件。這些插件允許設(shè)計(jì)者無需改變?cè)O(shè)計(jì)源代碼就可以定制IP。而且，軟IP能夠立刻導(dǎo)入新的Altera FPGA器件系列中。這一解決方案可滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門兩方面的要求。

　　可見，硬件和軟件設(shè)計(jì)者可以利用可編程邏輯開發(fā)各種DSP應(yīng)用解決方案，可編程解決方案可以更好的適應(yīng)快速變化的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和性能需求。隨著新的FPGA體系的出現(xiàn)，DSP IP核和工具數(shù)量的增加，采用可編程邏輯的DSP應(yīng)用繼續(xù)增加。FPGA器件能夠以高速、實(shí)時(shí)、低成本、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，它可以完全取代通用DSP芯片或作為通用DSP芯片的協(xié)處理器進(jìn)行工作。