FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

1、 FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用1.引言 數(shù)字信號處理（DSP）是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合需要的信號形式。數(shù)字信號處理技術(shù)的實質(zhì)就是將模擬信號或我們現(xiàn)實生活中的一些信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行相應(yīng)的處理。 數(shù)字信號處理是從20世紀60年代以來，隨著信息科學和計算機學科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學科。70年代以來，隨著電子計算機、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路以及微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號處理得到了飛速的發(fā)展，它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。 圖11給出了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡化

2、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AD變換后，變成數(shù)字信號x(n)。數(shù)字信號處理器對x(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n)，經(jīng)DA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)字信號處理系統(tǒng)簡化框圖 數(shù)字信號處理與模擬信號處理相比具有如下優(yōu)點： 1.數(shù)字信號在處理過程中更加穩(wěn)定數(shù)字信號參數(shù)不象模擬信號參數(shù)那樣容易受電阻、電容、運算放大器或是溫度變化的影

3、響。一個數(shù)字系統(tǒng)也很少受器件使用時間的影響，所以數(shù)字系統(tǒng)要比模擬系統(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。 2.數(shù)字信號處理系統(tǒng)的可預(yù)見性 當一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計完成后，我們可以通過仿真或是其它手段直接看到結(jié)果，而且這與最終應(yīng)用中出現(xiàn)的情況是一樣的：同時，所有拷貝的數(shù)字信號處理系統(tǒng)間是沒有性能差別的。 3.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、糾錯編碼等。 4.適應(yīng)性和可編程能力 數(shù)字信號處理具有極強的適應(yīng)能力，可以在多種領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。同時，數(shù)字信號處理的設(shè)計也相對簡單，并且可以根據(jù)不同的應(yīng)用迅

4、速對設(shè)計進行改進或重新設(shè)計。 5.成水低廉 數(shù)字信號處理器多通過超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，相對使用大量的模擬器件完成同一任務(wù)來講，數(shù)字信號處理器的成本是很低的。 由于數(shù)字信號處理具有以上優(yōu)點，數(shù)字信號處理在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字信號處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、語音合成、圖像處理、多媒體技術(shù)、高清晰度電視、數(shù)字音響、以及機器人等各個領(lǐng)域。 傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計的方法主要有兩種：采用DSP處理器，如1fI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ASIC器件。隨著DSP系統(tǒng)復雜程度和功能要求的提高，這些DSP解決方案暴露出來的缺陷越來越明顯。DSP處理器

5、方案成本低，但由于軟件處理數(shù)據(jù)不可能有很強的實時性，限制了它在高速和實時系統(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，不適合在實驗室或技術(shù)開發(fā)等場合應(yīng)用。現(xiàn)在，F(xiàn)PGA為DSP提供了第三種解決方案，F(xiàn)PGA和DSP技術(shù)相結(jié)合，能夠在集成度、速度和系統(tǒng)功能方面滿足DSP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DSP系統(tǒng)，同時具備DSP處理器的靈活性和ASIC芯片的實時性。2. FPGA簡介2.1 FPGA概述 FPGA(Field Programmable Gate Array)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

6、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，從最初用于膠合邏輯，到控制邏輯，再到用于數(shù)據(jù)通路，慢慢地接近系統(tǒng)的核心。 進入21世紀后，隨著90和65納米工藝的采用，F(xiàn)PGA在成本、功耗和性能上大幅改善，具備成為系統(tǒng)核心的條件；另一方面，3G和互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，要求復雜和大量并行處理，DSP在做并行處理時不如FPGA，這為具有強大并行處理能力的FPGA帶來了需求。正因為如此，Xilinx、Altera公司最近推出的多款FPGA都具備了強大的數(shù)字信號處理能力，在通信、消費、嵌入式等領(lǐng)域，并丌始行使DSP的功能。2.2

7、FPGA的優(yōu)越性 與DSP相比，F(xiàn)PGA實現(xiàn)數(shù)字信號處理的主要優(yōu)越性有： (1)FPGA的高度并行處理能力。FPGA相對DSP芯片的最大優(yōu)勢是其內(nèi)在的并行機制，即利用并行架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字信號處理的功能。這一并行機制使得FPGA特別適合于完成濾波這樣重復性的DSP任務(wù)。對于高度并行的數(shù)字信號處理任務(wù)來說，F(xiàn)PGA性能遠超通用DSP處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)。 (2)FPGA具有重配置能力。DSP處理器可以通過加載不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能，但這相對于ASIC系統(tǒng)十分靈活的功能并沒有實用價值。因為僅僅通過對DSP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

8、數(shù)量與功能。這是因為這一切必須靠改變硬件結(jié)構(gòu)、硬件功能才能實現(xiàn)。 由于不同的配置文件下載到FPGA后，能獲得不同的硬件結(jié)構(gòu)和硬件功能，因此基于FPGA的系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可重配置特性。 (3)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DSP方案更優(yōu)越。由于CPU的靈活性，對于低速、低吞吐量和大量復雜運算的情況，DSP處理器方案的系統(tǒng)成本要比FPGA系統(tǒng)低很多，而且此方案具有不可替代性。然而在高端應(yīng)用領(lǐng)域，大多數(shù)的情況中不但需要盡可能高速、高性能的DSP處理器，而且多片DSP連用的情況也十分普遍。在多片DSP系統(tǒng)中，每一片DSP處理器都必須配置完整的輔助器件

9、才能正常工作，如數(shù)據(jù)RAM、程序RAM和ROM、FIFO、雙口RAM、FPGACPLD輔助接口器件等等。該系統(tǒng)的成本將成倍提高，功耗、集成度與可靠性等性能指標也都將不同程度地下降，但是如果使用FPGA來構(gòu)成DSP系統(tǒng)，在DSP處理器系統(tǒng)中存在的問題將迎刃而解。目前擁有大規(guī)模邏輯資源的FPGA完全能容納必須由多片DSP處理器構(gòu)成的系統(tǒng)，從而使得單片F(xiàn)PGA構(gòu)成的系統(tǒng)在各項技術(shù)指標大幅度提高的前提下，成本和功耗大幅度下降，集成度與可靠性則大幅度提高。3.FPGA在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用3.1 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)革新和新標準，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：從標清(S

10、D)到高清(HD)，分辨率越來越高，需要實時處理的數(shù)據(jù)量越來越大；視頻和圖像壓縮技術(shù)日趨復雜，如MPEG一4，H264 AVC，JPEG2000等；對視頻系統(tǒng)智能的要求提高，如智能拍攝、運動檢測、對象識別、多通道、畫中畫、透明疊加效果等；消費者欣賞能力的提高，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)，根本無法設(shè)計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，無法體現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。而且，使用ASSP很難做到靈活、易升級、以及緊跟技術(shù)發(fā)展的潮流。廠商自己丌發(fā)ASIC的周期又太長，前期投入太大，風險很高，無法保證投資回報，也無法保持技術(shù)領(lǐng)先。 目

11、前，功能最為強大的單片DSP處理器也不能實時壓縮(H264)高清視頻。而使用DSP陣列的成本讓人難以接受，同時多片DSP處理器將帶來系統(tǒng)分割和調(diào)試的困難，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技術(shù)可以幫助用戶在保證合理成本的前提下，開發(fā)高性能的產(chǎn)品。利用FPGA的可靈活升級性，用戶可以滿足千變?nèi)f化的市場需求，使自己的產(chǎn)品迅速推陳出新，緊跟業(yè)界發(fā)展趨勢，做出有自己特色、自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，始終保持產(chǎn)品的差異化和領(lǐng)先性。3.2 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

12、跨越多種通信標準。因為具有更低的成本、更大的靈活性和更高的性能，軟件無線電已迅速成為軍事、公共安全和商用無線領(lǐng)域的事實標準。軟件無線電的基帶處理通常需要處理器和FPGA。在這類應(yīng)用中，處理器處理系統(tǒng)控制和配置功能，而FPGA實現(xiàn)大計算量的信號處理數(shù)據(jù)通道和控制，讓系統(tǒng)延遲最小。當需要從一種標準切換至另種標準時，處理器能夠動態(tài)地在軟件的主要部分問切換，而FPGA能夠根據(jù)需要完全重新配置，實現(xiàn)特定標準的數(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。自由地選擇在哪實現(xiàn)基帶處理算法為實現(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

13、所需的SDR功能支持在同一種標準增強版本之間的移植，并能夠支持完全不同的標準。可編程邏輯結(jié)合軟核處理器(如Altera公司推出的基于FPGA平臺的Nios II)和IP，具有了提供在現(xiàn)場遠程升級的能力。3.3 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甚至上百路信號進行處理，這要求聲納信號處理系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)吞吐能力。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。為滿足實時性的要求，常需要采用多片DSP處理器組成并行處理系統(tǒng)。 現(xiàn)在，隨著可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展，具有強大并行處理能力的FPGA

14、在性能、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)行實時性強、運算量大、算法結(jié)構(gòu)規(guī)整的算法，DSP將從重復繁瑣的工作中解脫出來，整個系統(tǒng)的性能也將顯著提高。 在水聲信號處理中，快速傅立葉變換、數(shù)字濾波、相關(guān)運算是應(yīng)用得最為廣泛的幾種數(shù)字信號處理算法，高效地實現(xiàn)上述算法具有很高的實用價值。4.總結(jié)研究及發(fā)展 國外有許多院校和科研機構(gòu)在研究基于FPGA的DSP應(yīng)用，比較突出有Dennlark大學的研究小組正在從事FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波器的研究。由于FPGA實現(xiàn)乘法器有困難，因此他們重點研究開發(fā)無乘法的濾波器算法。加州大學洛杉磯分校的研究小組采用運行時重構(gòu)技術(shù)開

15、發(fā)了一種視頻通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一片F(xiàn)PGA可每幀重構(gòu)四次完成視頻圖像壓縮和傳送的操作。此外，他們還在進行Mojvae項目的開發(fā)工作，力圖采用運行時重構(gòu)技術(shù)來實現(xiàn)自動目標識別應(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的教學和科研，除了一部分DSP芯片需要從國外進口外，在信號處理理論和算法方面，與國外處于同等水平。而在FPGA信號處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進展，正在進行與世界先進國家同樣的研究。如，玨北工業(yè)大學和國防科學技術(shù)大學的ATR實驗室采用了FPGA可重構(gòu)計算系統(tǒng)進行機載圖像處理和自動目標識別，主要是利用該系統(tǒng)進行復雜的卷積運算，同時利用它的可變?nèi)嵝詠磉_到自適應(yīng)的目的。北京理工大學研究利用FPGA提高加解密運算的速度，等等。 現(xiàn)在，可編程邏輯器件在密度、性能和功耗上都有顯著的進步，為數(shù)字信號處理開創(chuàng)了新的領(lǐng)域，使得構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)能夠保持基于