數字信號處理的FPGA實現

王俊博

摘 要：為了使數字信號處理能有更好的發展，應認識到FPGA對于數據信息領域發展的重要性，并能結合數字信號處理特點以及數據信息領域發展趨勢，制定科學的FPGA應用方案，提升數字信號處理質量。本文就FPG下的數字信號處理技術進行了分析。

關鍵詞：信號處理；FPGA；電子；數據

信息技術已經成為了推動現代社會發展的關鍵力量，尤其是在信息技術價值、作用有明顯提升之后，也更需要相應配套技術能有良好發展。而基于FPGA技術的數字信號處理就是其中的突出代表，使得數據信息領域能有更好的發展。

1 DSP以及FPGA分析

在現代信息領域當中，DSP技術有著功耗偏低、運行處理速度快、集成度高以及性價比良好的優勢，也正因為DSP技術的這些特點，使得DSP技術在現代軍事領域、民用領域以及工業領域中逐漸承擔了越來越多的任務。尤其是在當代信息技術產業當中，各種通信系統均發生了較大變化，逐漸從硬件定義朝向軟件定義方面發展，而在轉變過程中DSP技術則發揮出了關鍵性的推動力，也通過DSP技術的運用使得軟件類型無線電發展有了更為堅實的基礎。

從當前DSP技術使用范圍來看，這種DSP技術可以劃分為DSP以及專項DSP2兩種類型。通常DSP技術的運行算法是利用可編程類型的DSP設備來實現低速率狀態下的應用，而當使用專用類型的DSP芯片組件以及專用類型電路之后則能運行速率更高化發展。而在DSP技術使用中，FPGA器件發揮了突出的作用，這一器件作為DSP技術運行中的專用芯片，使得DSP技術功能作用得到更好的發揮。現代FPGA器件通常可以劃分為精細顆粒結構類型以及粗顆粒類型兩種結構，這兩種結構在實際運用中具有不同特點。粗顆粒類型的器件從結構以及作用方面來看，具有邏輯單元數量較多，但是處理功能較弱，目前大部分的FPGA器件均采用了粗顆粒結構。比如Xilinx系列設備當中的邏輯單元當中往往包括了2個4輸入搜索表、一個3輸入搜索表、2個觸發器以及一定數量的通道連線。而以SRAM為基礎的FPGA技術從其運行質量方面來看則和ASIC當中定制功能較為形似的優點，同時也使得ASIC方面開發成本高、成品完成制造后都不能進行相應修改的缺陷得到了完善。

2 FPGA器件在DSP當中的運

和常規類型的DSP技術解決方案相對比，FPGA器件在保證了其運靈活性的條件下，使得相應設備具有更強的性能。當前數據信息領域中，可以使用硬件來進行語言描述，進而對DSP的宏觀功能進行定義，這樣也就能完成串行以及并行FIR濾波器設備、復數以及浮點運算、FFT等眾多DSP功能。DSP當中的宏觀功能也已經依設備器件的具體結構特點完成了相應優化，讓用戶能更為便捷的使用這些器件來完成自己的設計。

2.1 FFT技術分析

通過FFT技術的運用，能將相應信號從時域當中轉換到頻域當中，在無線通信領域、語音識別領域、噪音識別領域以及頻譜分析領域中應用較多。這種FFT技術在使用中主要運用了頻率抽取類型的算法，并且在運行中以雙儲存器作為基礎結構，這兩個儲存器分別被命名為右儲存器以及左儲存器，在對數據信息進行處理的過程中，信息數據會從一個儲存器當中被讀出，之后經過蝶形運算處理之后存儲到另一個儲存器當中，從而完成整個數據從處理到儲存的全過程。為了能讓數據信息的吞吐量增加，FFT技術在使用中利用了3個存貯設備，使得蝶形運算數據信息的系數能在存放方面有更好的質量。為了讓存貯器能有更為靈活的特性，需要設備用戶能自己進行存貯設備以及I/O接口，這樣才能適應不同環境的相應需要，設計人員在實際設計中既可以采用FGPA片當中的RAM，同時也可使用片外的RAM。

2.2 FIR濾波器分析

AlteraDSP宏功能的FIR濾波器模塊包括8、16、24、32和64抽頭并行和串行FIR濾波器，濾波器系數的數據寬度可由用戶定義。圖2是圖形編輯器中8抽頭并行FIR濾波器的表示符，設計者可調用該符號完成一個8抽頭FIR濾波器的設計。

3 可再配置計算分析

盡管ASIC的速度非常快，但它只能實現某種特定的功能，設計完成后不能再對其進行改動，其靈活性和通用性受到限制；可編程DSP處理器雖然能夠按照不同的算法完成相應的處理和控制操作，但性能相對較低。“可再配置計算”可視為ASIC和可編程處理器的混合體，它綜合了二者的優點。FPGA是實現可再配置計算的核心，基于SRAM結構的FPGA器件可以很容易地通過重新下載數據來更改功能，這樣就將多項工作利用同一個硅片以時分的形式分別完成。對FPGA器件進行再配置時需要花費時間，這是因為向邏輯單元下載數據時，邏輯單元處于不工作狀態。值得一提的是，Xilinx6200系列和國家半導體公司的CLA芯片允許對FPGA內部指定區域進行再配置，這種部分再配置功能只向選定區域下載數據而不影響其它部分的工作。

4 需要解決的問題分析

4.1 并行處理與串行處理分析

不同的應用領域，對數字信號處理速度和成本的要求也不相同，FPGA器件能夠以最寬的動態范圍滿足各種需求。對于FIR濾波器而言，可以采用2種設計思路，一種思路是將設計重點放在處理速度上，旨在達到較高的MSPS值，滿足高速應用，另外一種思路是將設計重點定位于FPGA芯片的資源使用率上，以較低的成本滿足對低速處理的要求。實現這2種設計思想的途徑是分別采用并行處理和串行處理結構。

4.2 有限字長的影響分析

在系統設計時，無論是采用通用DSP芯片還是采用FPGA器件，都必須考慮有限字長的影響，它主要給系統帶來三方面的誤差：輸入量化誤差、系數量化誤差和運算量化誤差。

在數字信號處理中經常需要進行乘法運算，采用FPGA器件將2個N位字長的二進制數做乘法運算，乘法器結果輸出一般用2N位字長表示，這就需要舍位處理，然后再進行下一步運算，否則最終結果的數據寬度是難以想象的。但是舍位就引入了誤差，可以將這種誤差稱為運算噪聲。對于計算FFT或FIR濾波器而言，運算噪聲影響系統的性能；對于自適應信號處理器而言，這種噪聲可能會減緩權值的收斂速度，嚴重時甚至使權值發散，導致系統崩潰。因此，為了得到精確的結果，一方面可以選用合適的運算結構，盡量減少有限字長效應，另一方面可以采用合適的字長以降低運算噪聲。FPGA器件的字長可以根據需要任意指定，但字長越大，占用的片內資源就越多，編譯、仿真時間和系統成本也會因之而上升。

5 結束語

FPGA器件在使用的時候表現出了運行速度快、設備成本低、實時性強、靈活度高的優勢，這也能讓信號處理領域的各項工作得到更好發展，在FPGA的進一步發展中也開始逐漸取代了DSP芯片而被當作DSP芯片的協處類型處理器使用。為了讓信息領域有更好的發展，應做好先進技術完善、發展工作，推動信息領域向前發展。

參考文獻

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