FPGA在数字信号处理中的简单应用

FPGA在数字信号处理中的简单应用数字信号处理技术已经成功运用于信号地滤波、语音、图像、音频、信息系统、控制和仪表设备。可编程数字信号处理器在20世纪70年代地引入更是使DSP技术突飞猛进，取得巨大成功，这些PDSP都是基于精简指令集（RISC）计算机范例的架构。它的优势源于大多说信号处理算法的乘－累加运算（MAC）都是非常密集的。通过多级流水线架构，PDSP可以获得仅受阵列乘法器的速度限制的MAC速度。由此可以认为FPGA也能够用来实现MAC单元，且具有速度优势，但是，如果PDSP能够满足所需要的MAC速度，那么PDSP在成本问题上更具有成本优势，但随着FPGA成本降低，这个优势正在缩小。另一方面，现在我们还发现了许多高带宽的信号处理应用领域，例如：无线电、多媒体或卫星通信，FPGA技术可以通过一个芯片上的多级MAC单元来提供更多的带宽。此外，在诸如CORDIC、NTT和差错校正算法等算法中，FPGA较PDSP更有效率优势。FPGA技术的关键就是利用强有力的设计工具以：▲缩短开发周期。▲提高器件资源利用率。▲提供综合器的选择，例如：在最佳速度和设计规模之间做出选择。FPGA兼有串、并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，同时，在基于芯片的设计中可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能指标和可靠性。正是由于FPGA具有这些优点，FPGA在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。FPGA的高可靠性还表现在，几乎可将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了体积。与AMU设计相比，FPGA显著的优势是开发周期短，投资风险小、产品上市速度快，市场适应能力强和硬件升级回旋硕士学位论文余地大，而且当产品定型和产量扩大后，可将在生产中达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC投产。随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进：在SOC芯片上可以将微处理器、数字信号处理器、存储器、逻辑电路、模拟电路集成在一个芯片上。而如果将可编程逻辑电路IP核集成到SOC芯片上则会大大提高SOC芯片的灵活性与有效性，并且缩短了SOC芯片的设计周期。因此国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场。综上所述，与ASIC和通用DSP相比，FPGA器件能够以高速、实时、低成本、高灵活性的优点应用于数字信号处理领域，利用FPGA实现数字信号处理成为数字信号处理领域的一种新的趋势，它可以完全取代通用DSP芯片或作为通用DSP芯片的协处理器进行工作。如果将通用处理器和FPGA融合在一起，把需要多个时钟周期的运算交给FPGA完成，DSP芯片主要完成单时钟的运算和控制FPGA的“可再配置计算”功能，会更好地将两者的优势发挥出来。蝶形运算单元的FPGA实现蝶形运算单元是FFT处理器的基本单元，用来计算两点的FFT。由于蝶形运算单元是由一个复数加法器、一个复数减法器和一个旋转因子复数乘法器组成，所以利用上面设计的旋转因子复数乘法器和MAX+PLUSII中的lpm_add_sub模块可以设计实现蝶形运算单元。基-2FFT蝶形运算单元的VHDL代码见附录B。从代码中可以看出，蝶形处理器是由一个加法器、一个减法器和一个实例化为组件的旋转因子乘法器实现的。对应硬件实现的输入输出框图如下图所示：蝶形处理器的输入输出框图对输入值为A=20+30J、B=50+45j、旋转因子C+jS=256×e∧jpi/9=121+j39时进行仿真。仿真波形如下图所示：蝶形运算单元的VHDL仿真波形可见，所设计的蝶形处理器在MAX+PLUSII中对于输A=20+30J、B=50+45j、旋转因子C+jS=256×e∧jpi/9=121+j39时进行仿真得到的输出结果和理论上计算得到的结果是完全相符的，从而说明基于VHDL语言设计的蝶形处理单元的正确性。本文通过设计一种基于FPGA的FFT探讨了FPGA在数字信号处理中的应用。本文重点设计实现了蝶形运算单元，并且进行了仿真，通过比较可以看出仿真结果与理论值吻合的很好。本系统的最大优势在于利用FPGA器件丰富的逻辑资源，内嵌的RAM，ROM块及其灵活的可编程特性使运算速度较传统方法有了很大提高。当然付出的代价是用这种并行的结构需求的硬件资源很多。随着芯片集成度的不断提高，用这种并行结构实现的FFT运算其优越性将越来越明显。而且用这种结构实现的FFT很容易扩展，只需要增加蝶形的个数和循环次数即可。基于FPGA的FFT/IFFT处理器由于其硬件上的并行性，速度远远快于一般的通用DSP。FPGA具有成千上万的查找表和触发器，因此，FPGA平台可以利用更低的成本达到比通用DSP更快的速度。采用FPGA技术，还可以获得高性能，满足成本要求，并享有快速有效地对新设计进行优化的灵活性。这种基于并行算法的FFT/IFFT处理器，可以广泛应用在高速信号处理系统中。并且由FFT处理器的设计可以看出，前端的可编程数字信号处理算法，例如FIR和IIR滤波器，都可以利用FPGA构建。用FPGA实现数字信号处理在现代通信中将得到很广泛的应用。DSPIP是3G无线通信、数字音频和视频图像处理、广播、多信道多点分布服务（MMDS）以及正交频分复用（OFDM）系统等新兴应用的理想选择。可编程逻辑和软IP核的灵活性让各个公司能够让他们的设计快速地适应新标准。目前，Altera已经设计实现了DSP功能块。Altera的DSPIP套装包括标准DSP功能（如Turbo译码器）。IP核是静态参数化的，这样MegaWizardPlug-InManager根据给定的一组参数生成最高效的硬件。这些插件允许设计者无需改变设计源代码就可以定制IP。而且，软IP能够立刻导入新的AlteraFPGA器件系列中。这一解决方案可满足设计和生产部门两方面的要求。可见，硬件和软件设计者可以利用可编程逻辑开发各种DSP应用解决方案，可编程解决方案可以更好的适应快速变化的标准、协议和性能需求。随着新的FPGA体系的出现，DSPIP核和工具数量的增加，采用可编程逻辑的DSP应用继续增加。FPG