FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用研究

1、    fpga在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用研究    李月月 葉秀麗 薛雯宇數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用優(yōu)勢較強(qiáng)，因此在當(dāng)前得到了廣泛使用，其主要將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，為后續(xù)的分析處理提供支持。就當(dāng)前的情況來看，多種系統(tǒng)對數(shù)字信號(hào)處理的要求有所提升，使得原有的處理芯片不再適用?，F(xiàn)階段，fpga芯片迅速發(fā)展，逐步取代原有芯片，并被大量應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中。1 fpga與數(shù)字信號(hào)處理的概述1.1 fpgafpga（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）依托pal、gal等可編程器件的研究形成，其主要是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。對于fpga而言，其具有極高

2、的應(yīng)用優(yōu)勢，在使用中既能夠解決定制電路的缺陷，又可以克服原有可編程器件門電路數(shù)有限的問題。fpga應(yīng)用了邏輯單元陣列概念，其內(nèi)部主要包括三部分，即可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線。相比與傳統(tǒng)的邏輯電路和門陣列（包括pal、ga或是cpld器件等）來說，fpga屬于可編程器件，因此擁有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1.2 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來說，其主要指在模擬信息（圖片、聲音、視頻等）向數(shù)字信息轉(zhuǎn)換中所應(yīng)用的技術(shù)。寬泛的來講，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為數(shù)字信號(hào)處理理論的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)，主要包含數(shù)字信號(hào)處理理論、硬件技術(shù)、軟件技術(shù)。在實(shí)際的使用中，該技術(shù)高度穩(wěn)定、可程控、可重復(fù)性強(qiáng)、抗干擾且修改簡

3、單，因此得到了廣泛應(yīng)用。2 基于fpga的數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)2.1 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)主要有運(yùn)算過程相對復(fù)雜、大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對固定、數(shù)據(jù)量相對較大等等，基于此，在實(shí)踐中，普遍使用了單指令多數(shù)據(jù)流的計(jì)算方法。具體來說，就是對大量的數(shù)據(jù)使用同一種程序代碼展開反復(fù)的計(jì)算。在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，對實(shí)時(shí)性的要求更高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收與分析計(jì)算的同時(shí)展開，促使整個(gè)流程的流水化。根據(jù)數(shù)據(jù)的輸入量與算法復(fù)雜程度的不同，對數(shù)字信號(hào)處理芯片的性能要求也存在著較大差異。以數(shù)據(jù)流控制來說，想要對信號(hào)進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)性處理，可以使用的方案包括流水處理、并行處理、risc結(jié)構(gòu)以及陣列結(jié)構(gòu);以硬件選型

4、來說，想要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速、實(shí)時(shí)性處理，可以使用的器件或技術(shù)主要有可編程器件、專用芯片、高速器件、超并行列陣、其他eda技術(shù)?？傮w來看，實(shí)時(shí)處理、大吞吐量、高速計(jì)算是當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，而引入fpga就能夠達(dá)到上述目標(biāo)。因此，fpga在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2.2 基于fpga的fft算法實(shí)現(xiàn)在長時(shí)間的發(fā)展中，已經(jīng)形成了多種可以應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù)，且這些技術(shù)在不同應(yīng)用場景下均占據(jù)較大市場。然而，從性能的角度進(jìn)行分析，在數(shù)字信號(hào)處理中單片機(jī)等信號(hào)處理單元雖然得到廣泛應(yīng)用，但是其速度依舊有待提升，與ajd等芯片相比存在較大差距1。處理速度是多數(shù)應(yīng)用場景中重點(diǎn)追求的

5、內(nèi)容，也是系統(tǒng)最重要的性能，而通用數(shù)字信號(hào)處理芯片難以達(dá)到高速。在實(shí)際的信號(hào)處理中引入fpga就能夠彌補(bǔ)這一缺陷，具體來說，使用fpga展開算法變成能夠獲得更高的信號(hào)處理速度，這也是當(dāng)前技術(shù)條件下提升速度的最優(yōu)方案。此時(shí)，在硬件陣列的條件下應(yīng)用并行處理即可?，F(xiàn)階段，可編程器件生產(chǎn)技術(shù)不斷提升，依托fpga芯片能夠完成多樣的復(fù)雜算法。在當(dāng)前的數(shù)字信號(hào)處理中，傅里葉變換占據(jù)著核心地位。文章主要選取傅里葉變換中的fft算法進(jìn)行fpga應(yīng)用的分析。依托fpga實(shí)現(xiàn)fft算法的核心在于設(shè)計(jì)蝶形處理模塊。筆者使用flexiok仿真器件作為硬件平臺(tái)，保障數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐的高速與實(shí)時(shí)性。在fpga芯片的支持下

6、乘法運(yùn)算得以迅速完成，為fft算法的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。該過程中，可以使用vhdl編程對高度數(shù)字信號(hào)處理乘法運(yùn)算單元實(shí)施調(diào)用，以此完成蝶形運(yùn)算結(jié)構(gòu)的構(gòu)建;在該蝶形處理模塊的支持下組成fft運(yùn)算級，結(jié)合反復(fù)迭代，就可以實(shí)現(xiàn)fft算法的并行計(jì)算。另外，利用maxplusii軟件可以完成fft算法性能的有效分析，依托波形分析與邏輯分析，可以獲取該算法各項(xiàng)性能的參數(shù)。2.3 fft處理器的構(gòu)建傅里葉變換原理表明，基數(shù)有著多種劃分方法，且基數(shù)與系統(tǒng)資源占用率呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，具體有：當(dāng)基數(shù)越大時(shí)，所占用的系統(tǒng)資源也就越多，而分析速度也更快。一般情況下，均使用基2展開分解，保證處理速度與系統(tǒng)資源的分配高

7、度平衡。在fft算法中，運(yùn)算單元也可以使用不同的分解形式，包括基4、基8、基16等，也可以使用不同分解的組合形式2。在本次研究中，由于必須要在計(jì)算中應(yīng)用大量的旋轉(zhuǎn)因子，所以加設(shè)了rom存儲(chǔ)器，以此完成緩存操作。此時(shí)，控制單元提供算法執(zhí)行過程中所需要的所有控制信號(hào);計(jì)算數(shù)據(jù)的緩沖由一號(hào)存儲(chǔ)器承擔(dān);中間結(jié)果的暫時(shí)保存由二號(hào)存儲(chǔ)器承擔(dān)。依托控制器的指揮，中間數(shù)據(jù)、使能信號(hào)與地址信號(hào)均有序工作，并完成計(jì)算結(jié)果及其指示標(biāo)志的輸出。3 fpga在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用探究3.1 在音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)階段，新媒體技術(shù)迅速發(fā)展，人們對自媒體的要求增高。從視頻方面來看，對視頻的清晰度以及分辨率有著更高的追求

8、;從圖像處理方面來看，不僅要求著更高的圖像質(zhì)量以及穩(wěn)定性，還需要圖像可以直觀的反映出內(nèi)容與情感。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對圖像展開處理，包括特效處理、添加效果燈等等。此時(shí)，若是依舊使用傳統(tǒng)的音視頻處理芯片，則難以滿足上述需要。而在這樣的數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用fpga芯片就能夠達(dá)到當(dāng)前對音視頻質(zhì)量與效果的現(xiàn)實(shí)需求，完成富有創(chuàng)意的作品創(chuàng)作，賦予音視頻以新的風(fēng)格。在fpga的支持下，用戶可以結(jié)合自身個(gè)性化需求完成高性能產(chǎn)品的開發(fā);在預(yù)算充足的前提下，使用該芯片也能夠提升產(chǎn)品性能。就當(dāng)前的情況來看，用戶對音視頻產(chǎn)品的個(gè)性化需求更高，而使用fpga就能夠做到針對性分析，結(jié)合具體問題進(jìn)行實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制，促使市場

9、中的音視頻產(chǎn)品不斷推陳出新?；诖耍黠@推動(dòng)了音視頻領(lǐng)域與信號(hào)處理系統(tǒng)的升級，為我國文化產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展提供支持。3.2 在軟件無線電領(lǐng)域的應(yīng)用可以重新展開硬件配置的無線設(shè)備為軟件無線電，由于其能夠在多種通信標(biāo)準(zhǔn)下有效使用，因此在當(dāng)前的通訊操作中，該設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。相比于其他設(shè)備來說，軟件無線電的成本更低、靈活性更強(qiáng)，有著極高的應(yīng)用優(yōu)勢，在商用與軍事領(lǐng)域均發(fā)揮著較大作用。而通過在其中引入fpga，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件無線電的基帶優(yōu)化處理，達(dá)到系統(tǒng)延長的效果，提升了設(shè)備性能。同時(shí)，依托fpga，可以進(jìn)一步增強(qiáng)處理器之間動(dòng)態(tài)軟件部分交換的靈活程度，促使系統(tǒng)能夠從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更迅速、高質(zhì)量、準(zhǔn)確的切換至另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上。需要注意的是，fpga與數(shù)字信號(hào)處理并非為完全獨(dú)立的，兩者之間可以展開協(xié)同運(yùn)行，推動(dòng)系統(tǒng)性能顯著提升的同時(shí)，達(dá)到降低成本的效果。總體來說，fpga為軟件無線電的基帶處理提供了新路徑。總 結(jié)綜上所述，現(xiàn)階段，原有的數(shù)字信號(hào)處理芯片無法滿足現(xiàn)實(shí)需求，推動(dòng)著fpga芯片的迅速發(fā)展。由于fpga具有極高的應(yīng)用優(yōu)