FPGA在数字信号处理中的应用

FPGA在数字信号处理中的应用引言数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行数字信号处理是从20世纪6070的发展，它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。图1．1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A／D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D／A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。数字信号处理系统的可预见性处理系统间是没有性能差别的。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。适应性和可编程能力计。成水低廉同一任务来讲，数字信号处理器的成本是很低的。媒体技术、高清晰度电视、数字音响、以及机器人等各个领域。DSP1fI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ASICDSPDSPDSP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和DSPDSP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。FPGA简介FPGA概述FPGA(FieldProgrammableGateArray)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，进入2190和65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FPGAAltera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。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：FPGAFPGA相对DSPFPGA于完成滤波这样重复性的DSP性能远超通用DSP处理器的串行执行架构。FPGADSP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基于FPGA的系统具有良好的系统结构可重配置特性。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DSPCPUFPGA系统低很多，而且此方案具有不DSP连用的情况也十分普遍。在多片DSP系统中，每一片DSPRAMRAM和ROMFIFO、双口RAM、FPGA／CPLD辅助接口器件等等。该系统的成本将成倍提高，功FPGA来构成DSPDSPDSP处理器构成的系统，从而使得单片FPGA构成可靠性则大幅度提高。FPGA在DSP领域的应用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，H．264AVC，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很难做到灵活、易升ASIC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(H．264)高清视频。而使用DSPDSP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持产品的差异化和领先性。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理器和FPGAFPGA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～FPGA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(如Altera公司推出的基于FPGA平台的NiosII)和IP，具有了提供在现场远程升级的能力。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。FPGA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。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FPGAFPGAFPGAMojvae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FPGA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工大学研究利用FPGA提高加解密运算的速度，等等。ASICF