FPGA在数字信号处理中的应用.doc

FPGA在数字信号处理中的应用1.引言 数字信号处理（DSP）是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合需要的信号形式。数字信号处理技术的实质就是将模拟信号或我们现实生活中的一些信号转化为数字信号并对转换后的数字信号进行相应的处理。 数字信号处理是从20世纪60年代以来，随着信息科学和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。70年代以来，随着电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理得到了飞速的发展，它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。 图11给出了数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号变换为数字信号，经数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。其中抗混叠滤波器的作用，是将输入信号x(t)中高于折叠频率(其值等于采样频率的一半)的分量滤除，以防信号频谱的混叠。随后，信号经采样和AD变换后，变成数字信号x(n)。数字信号处理器对x(n)进行处理，得到输出数字信号y(n)，经DA变换器转换成模拟信号，此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输出平滑的模拟信号y(t)。 图1.1数字信号处理系统简化框图 数字信号处理与模拟信号处理相比具有如下优点： 1.数字信号在处理过程中更加稳定数字信号参数不象模拟信号参数那样容易受电阻、电容、运算放大器或是温度变化的影响。一个数字系统也很少受器件使用时间的影响，所以数字系统要比模拟系统稳定得多。这保证了应用系统的稳定性以及较长的使用寿命。 2.数字信号处理系统的可预见性 当一个数字信号处理系统设计完成后，我们可以通过仿真或是其它手段直接看到结果，而且这与最终应用中出现的情况是一样的：同时，所有拷贝的数字信号处理系统间是没有性能差别的。 3.特殊功能 数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应，还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。 4.适应性和可编程能力 数字信号处理具有极强的适应能力，可以在多种领域内应用。同时，数字信号处理的设计也相对简单，并且可以根据不同的应用迅速对设计进行改进或重新设计。 5.成水低廉 数字信号处理器多通过超大规模集成电路实现，相对使用大量的模拟器件完成同一任务来讲，数字信号处理器的成本是很低的。 由于数字信号处理具有以上优点，数字信号处理在现实生活中得到了广泛的应用。目前，数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、语音合成、图像处理、多媒体技术、高清晰度电视、数字音响、以及机器人等各个领域。 传统的数字信号处理系统设计的方法主要有两种：采用DSP处理器，如1fI公司的TMS320系列数字信号处理器和采用固定功能的DSP处理器或ASIC器件。随着DSP系统复杂程度和功能要求的提高，这些DSP解决方案暴露出来的缺陷越来越明显。DSP处理器方案成本低，但由于软件处理数据不可能有很强的实时性，限制了它在高速和实时系统中的应用；固定功能的DSP器件或ASIC器件可以提供很高的处理速度，但其灵活性差，不适合在实验室或技术开发等场合应用。现在，FPGA为DSP提供了第三种解决方案，FPGA和DSP技术相结合，能够在集成度、速度和系统功能方面满足DSP的需要。由于可编程器件及其开发工具的灵活性，利用FPGA设计DSP系统，同时具备DSP处理器的灵活性和ASIC芯片的实时性。2. FPGA简介2.1 FPGA概述 FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片发展至今已经有了二十多年的历史，但和DSP很早就确立数字信号处理领域的霸主地位相比，FPGA由于成本、功耗和性能限制，一直被使用在系统外围，从最初用于胶合逻辑，到控制逻辑，再到用于数据通路，慢慢地接近系统的核心。 进入21世纪后，随着90和65纳米工艺的采用，FPGA在成本、功耗和性能上大幅改善，具备成为系统核心的条件；另一方面，3G和互联网时代的来临，要求复杂和大量并行处理，DSP在做并行处理时不如FPGA，这为具有强大并行处理能力的FPGA带来了需求。正因为如此，Xilinx、Altera公司最近推出的多款FPGA都具备了强大的数字信号处理能力，在通信、消费、嵌入式等领域，并丌始行使DSP的功能。2.2 FPGA的优越性 与DSP相比，FPGA实现数字信号处理的主要优越性有： (1)FPGA的高度并行处理能力。FPGA相对DSP芯片的最大优势是其内在的并行机制，即利用并行架构实现数字信号处理的功能。这一并行机制使得FPGA特别适合于完成滤波这样重复性的DSP任务。对于高度并行的数字信号处理任务来说，FPGA性能远超通用DSP处理器的串行执行架构。 (2)FPGA具有重配置能力。DSP处理器可以通过加载不同的软件来实现不同的功能，但这相对于ASIC系统十分灵活的功能并没有实用价值。因为仅仅通过对DSP处理器加载不同的程序代码，并不能有效地改变DSP系统的诸如吞吐量、数据总线宽度、DSP加速模块的数量与功能。这是因为这一切必须靠改变硬件结构、硬件功能才能实现。 由于不同的配置文件下载到FPGA后，能获得不同的硬件结构和硬件功能，因此基于FPGA的系统具有良好的系统结构可重配置特性。 (3)在高速、高性能要求的应用场合，使用FPGA方案的系统成本、功耗、集成度比使用DSP方案更优越。由于CPU的灵活性，对于低速、低吞吐量和大量复杂运算的情况，DSP处理器方案的系统成本要比FPGA系统低很多，而且此方案具有不可替代性。然而在高端应用领域，大多数的情况中不但需要尽可能高速、高性能的DSP处理器，而且多片DSP连用的情况也十分普遍。在多片DSP系统中，每一片DSP处理器都必须配置完整的辅助器件才能正常工作，如数据RAM、程序RAM和ROM、FIFO、双口RAM、FPGACPLD辅助接口器件等等。该系统的成本将成倍提高，功耗、集成度与可靠性等性能指标也都将不同程度地下降，但是如果使用FPGA来构成DSP系统，在DSP处理器系统中存在的问题将迎刃而解。目前拥有大规模逻辑资源的FPGA完全能容纳必须由多片DSP处理器构成的系统，从而使得单片FPGA构成的系统在各项技术指标大幅度提高的前提下，成本和功耗大幅度下降，集成度与可靠性则大幅度提高。3.FPGA在DSP领域的应用3.1 视频图像领域 视频和图像处理技术可谓日新月异，新需求不断催生技术革新和新标准，主要体现在以下几个方面：从标清(SD)到高清(HD)，分辨率越来越高，需要实时处理的数据量越来越大；视频和图像压缩技术日趋复杂，如MPEG一4，H264 AVC，JPEG2000等；对视频系统智能的要求提高，如智能拍摄、运动检测、对象识别、多通道、画中画、透明叠加效果等；消费者欣赏能力的提高，希望图像更稳定、更清晰、色彩更艳丽、亮度更符合人眼的感官需求。 如果单纯使用现成的专用视频图像处理芯片(ASSP)，根本无法设计出具有自主知识产权的产品，无法体现产品的差异化。而且，使用ASSP很难做到灵活、易升级、以及紧跟技术发展的潮流。厂商自己丌发ASIC的周期又太长，前期投入太大，风险很高，无法保证投资回报，也无法保持技术领先。 目前，功能最为强大的单片DSP处理器也不能实时压缩(H264)高清视频。而使用DSP阵列的成本让人难以接受，同时多片DSP处理器将带来系统分割和调试的困难，增加系统的不稳定性，增加PCB成本。如果使用单片FPGA，或采用FPGA加DSP处理器协同工作的方案，这些困难可迎刃而解。 使用FPGA技术可以帮助用户在保证合理成本的前提下，开发高性能的产品。利用FPGA的可灵活升级性，用户可以满足千变万化的市场需求，使自己的产品迅速推陈出新，紧跟业界发展趋势，做出有自己特色、自主知识产权的产品，始终保持产品的差异化和领先性。3.2 软件无线电领域 软件无线电(SDR)是具有可重配置硬件平台的无线设备，可以跨越多种通信标准。因为具有更低的成本、更大的灵活性和更高的性能，软件无线电已迅速成为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。软件无线电的基带处理通常需要处理器和FPGA。在这类应用中，处理器处理系统控制和配置功能，而FPGA实现大计算量的信号处理数据通道和控制，让系统延迟最小。当需要从一种标准切换至另种标准时，处理器能够动态地在软件的主要部分问切换，而FPGA能够根据需要完全重新配置，实现特定标准的数据通道。 FPGA可以作为协处理器同DSP和通用处理器相连，这样具有更高的系统性能和更低的系统成本。自由地选择在哪实现基带处理算法为实现SDR算法提供了另一种方式的灵活性。基带部件也需要足够灵活让所需的SDR功能支持在同一种标准增强版本之间的移植，并能够支持完全不同的标准。可编程逻辑结合软核处理器(如Altera公司推出的基于FPGA平台的Nios II)和IP，具有了提供在现场远程升级的能力。3.3 水声信号处理领域 高分辨率图像声纳和多波束测深等领域需要对水声换能器阵列输出的几十路甚至上百路信号进行处理，这要求声纳信号处理系统具有很高的数据吞吐能力。以往的声纳系统通常采用高速信号处理器(DSP，如TI公司生产的TMS320C6416)作为核心处理部件。为满足实时性的要求，常需要采用多片DSP处理器组成并行处理系统。 现在，随着可编程逻辑器件技术的发展，具有强大并行处理能力的FPGA在性能、成本、体积、功耗等方面部显示出了其优势。若采用FPGA作为DSP的协处理器，专门执行实时性强、运算量大、算法结构规整的算法，DSP将从重复繁琐的工作中解脱出来，整个系统的性能也将显著提高。 在水声信号处理中，快速傅立叶变换、数字滤波、相关运算是应用得最为广泛的几种数字信号处理算法，高效地实现上述算法具有很高的实用价值。4.总结研究及发展 国外有许多院校和科研机构在研究基于FPGA的DSP应用，比较突出有Dennlark大学的研究小组正在从事FPGA实现数字滤波器的研究。由于FPGA实现乘法器有困难，因此他们重点研究开发无乘法的滤波器算法。加州大学洛杉矶分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一种视频通讯系统，该系统用一片FPGA可每帧重构四次完成视频图像压缩和传送的操作。此外，他们还在进行Mojvae项目的开发工作，力图采用运行时重构技术来实现自动目标识别应用。 我国在DSP技术方面起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA方面起步较晚。全国有100来所高等院校从事DPS&FPGA的教学和科研，除了一部分DSP芯片需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面，与国外处于同等水平。而在FPGA信号处理和系统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究。如，珏北工业大学和国防科学技术大学的ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变柔性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用FPGA提高加解密运算的速度，等等。 现在，可编程逻辑器件在密度、性能和功耗上都有显著的进步，为数字信号处理开创了新的领域，使得构造的数字信号处理系统能够保持基于