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-2 FFT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。DSP IP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DSP IP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MegaWizard Plug-In Manager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Altera FPGA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，DSP IP核和工具数量的增加，采用可编程逻辑的DSP应用继续增加。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，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。