FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用引言數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行數(shù)字信號處理是從20世紀(jì)6070的發(fā)展，它的重要性日益在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。圖1．1給出了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號變換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后，再變換成模擬信號輸出。其中抗混疊濾波器的作用，是將輸入信號x(t)中高于折疊頻率(其值等于采樣頻率的一半)的分量濾除，以防信號頻譜的混疊。隨后，信號經(jīng)采樣和A／D變換后，變成數(shù)字信號x(n)。數(shù)字信號處理器對x(n)進(jìn)行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n)，經(jīng)D／A變換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，此信號經(jīng)低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的模擬信號y(t)。圖1.1數(shù)字信號處理與模擬信號處理相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.數(shù)字信號在處理過程中更加穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定得多。這保證了應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及較長的使用壽命。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的可預(yù)見性處理系統(tǒng)間是沒有性能差別的。特殊功能數(shù)字信號處理可以完成許多模擬信號處理所達(dá)不到的功能，如線性相位響應(yīng)，還有一些模擬信號不能處理的問題如無損壓縮、糾錯(cuò)編碼等。適應(yīng)性和可編程能力計(jì)。成水低廉同一任務(wù)來講，數(shù)字信號處理器的成本是很低的。媒體技術(shù)、高清晰度電視、數(shù)字音響、以及機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域。DSP1fI公司的TMS320系列數(shù)字信號處理器和采用固定功能的DSP處理器或ASICDSPDSPDSP處理器方案成本低，但由于軟件處理數(shù)據(jù)不可能有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，限制了它在高速和實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用；固定功能的DSP器件或ASIC器件可以提供很高的處理速度，但其靈活性差，不適合在實(shí)驗(yàn)室或技術(shù)開發(fā)等場合應(yīng)用?，F(xiàn)在，F(xiàn)PGA為DSP和DSPDSP的需要。由于可編程器件及其開發(fā)工具的靈活性，利用FPGA設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)，同時(shí)具備DSP處理器的靈活性和ASIC芯片的實(shí)時(shí)性。FPGA簡介FPGA概述FPGA(FieldProgrammableGateArray)即現(xiàn)場可編程門陣列和DSP數(shù)字信號處理芯片發(fā)展至今已經(jīng)有了二十多年的歷史，但和DSP很早就確立數(shù)字信號處理領(lǐng)域的霸主地位相比，F(xiàn)PGA由于成本、功耗和性能限制，一直被使用在系統(tǒng)外圍，進(jìn)入2190和65和大量并行處理，DSP在做并行處理時(shí)不如FPGA，這為具有強(qiáng)大并行處理能力的FPGAAltera公司最近推出的多款FPGA都具備了強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，在通信、消費(fèi)、嵌入式等領(lǐng)域，并丌始行使DSP的功能。FPGA的優(yōu)越性與DSP相比，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的主要優(yōu)越性有：FPGAFPGA相對DSPFPGA于完成濾波這樣重復(fù)性的DSP性能遠(yuǎn)超通用DSP處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)。FPGADSP能，但這相對于ASIC系統(tǒng)十分靈活的功能并沒有實(shí)用價(jià)值。因?yàn)閮H僅通過對處理器加載不同的程序代碼，并不能有效地改變DSP系統(tǒng)的諸如吞吐量、數(shù)據(jù)總線寬度、DSP加速模塊的數(shù)量與功能。這是因?yàn)檫@一切必須靠改變硬件結(jié)構(gòu)、硬件功能才能實(shí)現(xiàn)。由于不同的配置文件下載到FPGA基于FPGA的系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可重配置特性。在高速、高性能要求的應(yīng)用場合，使用FPGA方案的系統(tǒng)成本、功耗、集成度比使用DSPCPUFPGA系統(tǒng)低很多，而且此方案具有不DSP連用的情況也十分普遍。在多片DSP系統(tǒng)中，每一片DSPRAMRAM和ROMFIFO、雙口RAM、FPGA／CPLD輔助接口器件等等。該系統(tǒng)的成本將成倍提高，功FPGA來構(gòu)成DSPDSPDSP處理器構(gòu)成的系統(tǒng)，從而使得單片F(xiàn)PGA構(gòu)成可靠性則大幅度提高。FPGA在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用視頻圖像領(lǐng)域視頻和圖像處理技術(shù)可謂日新月異，新需求不斷催生技術(shù)革新和新標(biāo)準(zhǔn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：從標(biāo)清(SD)到高清(HD)，分辨率越來越高，需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量越來越大；視頻和圖像壓縮技術(shù)日趨復(fù)雜，如MPEG一4，H．264AVC，JPEG2000等；對視頻系統(tǒng)智能的要求提高，如智能拍攝、運(yùn)動(dòng)檢測、對象識別、多通道、畫中畫、透明疊加效果等；消費(fèi)者欣賞能力的提高，希望圖像更穩(wěn)定、更清晰、色彩更艷麗、亮度更符合人眼的感官需求。如果單純使用現(xiàn)成的專用視頻圖像處理芯片ASSP很難做到靈活、易升ASIC風(fēng)險(xiǎn)很高，無法保證投資回報(bào)，也無法保持技術(shù)領(lǐng)先。目前，功能最為強(qiáng)大的單片DSP處理器也不能實(shí)時(shí)壓縮(H．264)高清視頻。而使用DSPDSP困難，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，增加PCB成本。如果使用單片F(xiàn)PGA，或采用FPGA加DSP處理器協(xié)同工作的方案，這些困難可迎刃而解。使用FPGA持產(chǎn)品的差異化和領(lǐng)先性。軟件無線電領(lǐng)域軟件無線電(SDR)是具有可重配置硬件平臺的無線設(shè)備，可以跨越多種通信標(biāo)理器和FPGAFPGA算量的信號處理數(shù)據(jù)通道和控制，讓系統(tǒng)延遲最小。當(dāng)需要從一種標(biāo)準(zhǔn)切換至另～FPGA要完全重新配置，實(shí)現(xiàn)特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通道。FPGA可以作為協(xié)處理器同DSP和通用處理器相連，這樣具有更高的系統(tǒng)性能和更低的系統(tǒng)成本。自由地選擇在哪實(shí)現(xiàn)基帶處理算法為實(shí)現(xiàn)SDR算法提供了另一種方式的靈活性?；鶐Р考残枰銐蜢`活讓所需的SDR功能支持在同一種標(biāo)準(zhǔn)(如Altera公司推出的基于FPGA平臺的NiosII)和IP，具有了提供在現(xiàn)場遠(yuǎn)程升級的能力。水聲信號處理領(lǐng)域高分辨率圖像聲納和多波束測深等領(lǐng)域需要對水聲換能器陣列輸出的幾十路以往的聲納系統(tǒng)通常采用高速信號處理器(DSP，如TI公司生產(chǎn)的TMS320C6416)作為核心處理部件。為滿足實(shí)時(shí)性的要求，常需要采用多片DSP處理器組成并行處理系統(tǒng)。FPGA成本、體積、功耗等方面部顯示出了其優(yōu)勢。若采用FPGA作為DSP的協(xié)處理器，專門執(zhí)行實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)算量大、算法結(jié)構(gòu)規(guī)整的算法，DSP將從重復(fù)繁瑣的工作中解脫出來，整個(gè)系統(tǒng)的性能也將顯著提高。的幾種數(shù)字信號處理算法，高效地實(shí)現(xiàn)上述算法具有很高的實(shí)用價(jià)值。4..總結(jié)研究及發(fā)展國外有許多院校和科研機(jī)構(gòu)在研究基于FPGA的DSP應(yīng)用，比較突出有Dennlark大學(xué)的研究小組正在從事FPGAFPGAFPGAMojvae作，力圖采用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識別應(yīng)用。我國在DSP技術(shù)方面起步較早，產(chǎn)品的研究開發(fā)成績斐然，基本上與國外同步發(fā)展，而在FPGA方面起步較晚。全國有100來所高等院校從事DPS&FPGA的教學(xué)和科研，除了一部分DSP芯片需要從國外進(jìn)口外，在信號處理理論和算法方面，與FPGA與世界先進(jìn)國家同樣的研究。如，玨北工業(yè)大學(xué)和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的ATR實(shí)驗(yàn)室采用了FPGA工大學(xué)研究利用FPGA提高加解密運(yùn)算的速度，等等。ASICF