FPGA在数字信号处理中的实施要点

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【摘 要】目前,数字信号处理技术在通信、雷达、语音和图像处理等诸多领域得到了广泛的应用,发挥着越来越重要的作用,而其处理算法的硬件实现也得到了飞速发展.本文分析了FPGA的特点,并对其在数字信息处理中的应用进行了研究和探讨.

【关 键 词 】FPGA 数字信号处理 要点

前言：数字信号处理,简称DSP,是指采用数值计算的方式,对信号进行加工处理的理论和技术.在科技发展的带动下,信息化时代逐渐来临,数据信息成为社会发展中的关键因素,传统的模拟信号处理由于容易受到环境的影响,可靠性和灵活性较差,无法适应时展的要求,因此,随着数字化计算机和大规模集成电路的发展和应用,数字信号处理逐渐取代模拟信号处理,在各个领域中得到了广泛的应用,受到了社会各界的关注和重视.

一、FPGA概述

FPGA,全称Field Programmable Gate Array,即现场可编程逻辑门阵列,是一个包含有可编辑元件的半导体设备,可以由用户根据实际需求,进行逻辑功能的编辑,与一般的ASIC电路相比,FPGA具有设计周期短、修改方便等优点.

FPGA出现与上世纪八十年代的中期,是在PAL、GAL、EPLD等可编辑器件的基础上,进一步发展出来的产物,可以通过对应的编程,将一个通用型的FPGA芯片配置成符合用户实际需求的硬件数字电路,因此能够极大地缩短电子产品的研发周期,同时也可以降低产品的研发成本,使用FPGA对数字电路进行设计,可以有效简化设计流程,缩小数据规模,进一步提升系统的稳定性和可靠性.

FPGA的主要特点包括：

（一）利用FPGA对专用集成电路（ASIC）进行设计时,用户不需要进行投片生产,就可以得到想要的芯片；

（二）在FPGA内部,含有丰富的触发器以及I/O引脚,可以满足用户的不同需求；

(三)FPGA可以为其它全或者半的ASIC电路提供中试样片；

(四)FPGA是所有ASIC电路设计中,开发费用最低、风险最小、设计周期最短的器件之一；

(五)在FPGA中,应用了高速CMOS技术,因此不仅功耗极低,而且可以实现与CMOS、TTL电平的有效兼容.

二、FPGA在数字信处理中的实施要点

从目前来看,数字信号处理的方案,大致可以三种,其一,通用性极强的可编程DSP芯片；其二,用于特定目的,具备全或半功能的DSP芯片组以及ASIC；其三,可以由用户自主编程的FPGA芯片.与其它两种方案相比,使用FPGA实现数字信号处理,具备高速性、实时性、经济性、灵活性等优点,在数字信号处理领域发挥着越来越重要的作用,可以完全取代传统的通用DSP芯片,或者作为DSP芯片的协处理器进行工作.如果在实际应用中,将FPGA与通用处理器相互融合,由FPGA完成多个时钟周期的运算,由DSP芯片完成单个时钟的运算,并对FPGA的“可再配置计算”功能进行有效控制,则能够确保两者优势的充分发挥,体现出更好的应用效果.

(一)基于FPGA的FFT算法实现

在部分特殊的信号处理领域,对于系统的高速性和实时性要求极高,通用DSP很难实现这一要求,这就需要通过FPGA来实现,这里结合基于FPGA的FFT算法的实现,对FPGA在数字信号处理中的应用进行简单分析.

1.FFT的存储单元结构

为了确保连续数据流目标的实现,在各级蝶形运算单元中,采用了双口RAM对计算的中间结果进行设计,实部与虚部的容量之和是单个蝶形运算元件的两倍左右.同时,存储单元还包括了对旋转因子的存储,每一级的蝶形运算单元,都包含两块ROM旋转因子的实部和虚部.

2.地址产生单元

在FFT运算过程中,一般都需要用到大量的RAM和ROM.因此,要想确保运算的有效性,数据读取和存储的正确性是非常重要的.FFT在运算时,会产生三组不同的地址,包括蝶形运算输入数据的地址、地形运算结果输入下一级的地址以及运算结束后最终的输出地址.在运算中,由于采用了同为运算的方式,因此对地址进行读取的过程同时也是写入地址的过程.

3.FFT 处理器的性能分析

要想提高FFT处理器的性能,一般会采用两种方法,即并行处理技术和流水线处理技术.在并行处理技术中,通过并行递归结构,设计了可以同时产生4个RAM地址以及3个ROM地址的地质发生器,从而有效提高了运算的效率；在流水线处理技术中,结合FPG联结构的特点,通过多级流水线技术,可以将整个信号序列的运算时间缩短为一级蝶形单元的运算时间.

(二)基于FPGA的相关运算实现

利用FPGA可以系统的相关运算,包括以下两个方面：

1.时域内的相关运算

相对来说,时域内的相关运算是比较简单的,但是对于系统的性能有着较高的要求,在实际操作中,可以以查表的形式,来实现运算,不需要考虑点数问题,但是会占用大量的系统资源；也可以以成累加的方法实现运算,可以充分利用FPGA并行运算的特点,将FPGA控制在一个时钟频率较低的环境中.

2.频域内的相关运算

这种运算采用了FFT的时域相关法,因此能够极大地减少运算量,根据傅里叶变化规律、时卷积定理,可以采用快速傅里叶变换和反变换在频域内实现相关运算,这种运算方法被称为快速频域卷积法.

总之,作为现代通信的核心技术之一,数字信号处理技术的意义和作用都是十分巨大的,也受到了人们的广泛关注.在数字信号处理中应用FPGA,能够确保系统高速、实时、低成本、灵活运行,推动数字信号处理技术的发展,应该得到相关技术人员的重视和推广.