数字信号处理的FPGA实现

摘 要：为了使数字信號处理能有更好的发展，应认识到FPGA对于数据信息领域发展的重要性，并能结合数字信号处理特点以及数据信息领域发展趋势，制定科学的FPGA应用方案，提升数字信号处理质量。本文就FPG下的数字信号处理技术进行了分析。

关键词：信号处理；FPGA；电子；数据

信息技术已经成为了推动现代社会发展的关键力量，尤其是在信息技术价值、作用有明显提升之后，也更需要相应配套技术能有良好发展。而基于FPGA技术的数字信号处理就是其中的突出代表，使得数据信息领域能有更好的发展。

1 DSP以及FPGA分析

在现代信息领域当中，DSP技术有着功耗偏低、运行处理速度快、集成度高以及性价比良好的优势，也正因为DSP技术的这些特点，使得DSP技术在现代军事领域、民用领域以及工业领域中逐渐承担了越来越多的任务。尤其是在当代信息技术产业当中，各种通信系统均发生了较大变化，逐渐从硬件定义朝向软件定义方面发展，而在转变过程中DSP技术则发挥出了关键性的推动力，也通过DSP技术的运用使得软件类型无线电发展有了更为坚实的基础。

从当前DSP技术使用范围来看，这种DSP技术可以划分为DSP以及专项DSP2两种类型。通常DSP技术的运行算法是利用可编程类型的DSP设备来实现低速率状态下的应用，而当使用专用类型的DSP芯片组件以及专用类型电路之后则能运行速率更高化发展。而在DSP技术使用中，FPGA器件发挥了突出的作用，这一器件作为DSP技术运行中的专用芯片，使得DSP技术功能作用得到更好的发挥。现代FPGA器件通常可以划分为精细颗粒结构类型以及粗颗粒类型两种结构，这两种结构在实际运用中具有不同特点。粗颗粒类型的器件从结构以及作用方面来看，具有逻辑单元数量较多，但是处理功能较弱，目前大部分的FPGA器件均采用了粗颗粒结构。比如Xilinx系列设备当中的逻辑单元当中往往包括了2个4输入搜索表、一个3输入搜索表、2个触发器以及一定数量的通道连线。而以SRAM为基础的FPGA技术从其运行质量方面来看则和ASIC当中定制功能较为形似的优点，同时也使得ASIC方面开发成本高、成品完成制造后都不能进行相应修改的缺陷得到了完善。

2 FPGA器件在DSP当中的运

和常规类型的DSP技术解决方案相对比，FPGA器件在保证了其运灵活性的条件下，使得相应设备具有更强的性能。当前数据信息领域中，可以使用硬件来进行语言描述，进而对DSP的宏观功能进行定义，这样也就能完成串行以及并行FIR滤波器设备、复数以及浮点运算、FFT等众多DSP功能。DSP当中的宏观功能也已经依设备器件的具体结构特点完成了相应优化，让用户能更为便捷的使用这些器件来完成自己的设计。

2.1 FFT技术分析

通过FFT技术的运用，能将相应信号从时域当中转换到频域当中，在无线通信领域、语音识别领域、噪音识别领域以及频谱分析领域中应用较多。这种FFT技术在使用中主要运用了频率抽取类型的算法，并且在运行中以双储存器作为基础结构，这两个储存器分别被命名为右储存器以及左储存器，在对数据信息进行处理的过程中，信息数据会从一个储存器当中被读出，之后经过蝶形运算处理之后存储到另一个储存器当中，从而完成整个数据从处理到储存的全过程。为了能让数据信息的吞吐量增加，FFT技术在使用中利用了3个存贮设备，使得蝶形运算数据信息的系数能在存放方面有更好的质量。为了让存贮器能有更为灵活的特性，需要设备用户能自己进行存贮设备以及I/O接口，这样才能适应不同环境的相应需要，设计人员在实际设计中既可以采用FGPA片当中的RAM，同时也可使用片外的RAM。

2.2 FIR滤波器分析

AlteraDSP宏功能的FIR滤波器模块包括8、16、24、32和64抽头并行和串行FIR滤波器，滤波器系数的数据宽度可由用户定义。图2是图形编辑器中8抽头并行FIR滤波器的表示符，设计者可调用该符号完成一个8抽头FIR滤波器的设计。

3 可再配置计算分析

尽管ASIC的速度非常快，但它只能实现某种特定的功能，设计完成后不能再对其进行改动，其灵活性和通用性受到限制；可编程DSP处理器虽然能够按照不同的算法完成相应的处理和控制操作，但性能相对较低。“可再配置计算”可视为ASIC和可编程处理器的混合体，它综合了二者的优点。FPGA是实现可再配置计算的核心，基于SRAM结构的FPGA器件可以很容易地通过重新下载数据来更改功能，这样就将多项工作利用同一个硅片以时分的形式分别完成。对FPGA器件进行再配置时需要花费时间，这是因为向逻辑单元下载数据时，逻辑单元处于不工作状态。值得一提的是，Xilinx6200系列和国家半导体公司的CLA芯片允许对FPGA内部指定区域进行再配置，这种部分再配置功能只向选定区域下载数据而不影响其它部分的工作。

4 需要解决的问题分析

4.1 并行处理与串行处理分析

不同的应用领域，对数字信号处理速度和成本的要求也不相同，FPGA器件能够以最宽的动态范围满足各种需求。对于FIR滤波器而言，可以采用2种设计思路，一种思路是将设计重点放在处理速度上，旨在达到较高的MSPS值，满足高速应用，另外一种思路是将设计重点定位于FPGA芯片的资源使用率上，以较低的成本满足对低速处理的要求。实现这2种设计思想的途径是分别采用并行处理和串行处理结构。

4.2 有限字长的影响分析

在系统设计时，无论是采用通用DSP芯片还是采用FPGA器件，都必须考虑有限字长的影响，它主要给系统带来三方面的误差：输入量化误差、系数量化误差和运算量化误差。

在数字信号处理中经常需要进行乘法运算，采用FPGA器件将2个N位字长的二进制数做乘法运算，乘法器结果输出一般用2N位字长表示，这就需要舍位处理，然后再进行下一步运算，否则最终结果的数据宽度是难以想象的。但是舍位就引入了误差，可以将这种误差称为运算噪声。对于计算FFT或FIR滤波器而言，运算噪声影响系统的性能；对于自适应信号处理器而言，这种噪声可能会减缓权值的收敛速度，严重时甚至使权值发散，导致系统崩溃。因此，为了得到精确的结果，一方面可以选用合适的运算结构，尽量减少有限字长效应，另一方面可以采用合适的字长以降低运算噪声。FPGA器件的字长可以根据需要任意指定，但字长越大，占用的片内资源就越多，编译、仿真时间和系统成本也会因之而上升。

5 结束语

FPGA器件在使用的时候表现出了运行速度快、设备成本低、实时性强、灵活度高的优势，这也能让信号处理领域的各项工作得到更好发展，在FPGA的进一步发展中也开始逐渐取代了DSP芯片而被当作DSP芯片的协处类型处理器使用。为了让信息领域有更好的发展，应做好先进技术完善、发展工作，推动信息领域向前发展。

参考文献

[1]蒋松，蓝爱兰，阎敬业，等.AgileDARN雷达数字信号处理的FPGA实现[J].遥感技术与应用，2017（6）：1064-1070.

[2]王俊，赵志鹏，张玉玺，等.一种多DSP和FPGA并行处理系统及实现方法：CN103885919B[P].2017.

[3]唐伟伟.基于FPGA和DSP的船舶导航雷达数字信号处理机的设计与实现[D].南京信息工程大学，2016.

[4]贲广利，王永成，徐东东，等.以太网数传系统在FPGA上的实现[J].液晶与显示，2017，32（8）：607-613.

推荐访问： 数字信号处理 FPGA

---