淺談FPGA在數字信號處理中的應用

陳海玲

【摘 要】數字信號處理主要是研究有關數字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數字電路與系統技術以及計算機技術的發展，數字信號處理技術也相應地得到發展，其應用領域十分廣泛，如面向低功耗、手持設備、無線終端的應用，包括手機、PDA、GPS、數傳電臺等。在硬件上的實現主要有以下三種：采用通用目的的可編程DSP芯片實現，采用特定目的的固定功能DSP芯片和ASCI實現，采用FPGA實現。隨著FPGA的出現及應用推廣，FPGA為數字信號處理提供了更好的解決方案，大容量的FPGA能夠在集成度、速度和系統功能方面滿足數字信號處理的需要，因其可編程器件及其開發工具的靈活性，利用FPGA設計數字信號系統，同時具備DSP處理器的靈活性和ASIC芯片的實時性。

【關鍵詞】數字信號；FPGA；信號處理

一、引言

數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。常用的數字信號處理系統框圖如下圖1所示，以電子對抗系統為例，天饋分機將高頻的雷達微波信號變頻，輸出中頻信號，通過高速A/D變換器，變換為數字信號，在FPGA上經過一系列的數字信號處理后，再變換成帶調制的模擬信號輸出。其中抗混疊濾波器的作用，是將輸入中頻信號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，信號經采樣和A/D變換后，變成數字信號x（n）。數字信號處理器對x（n）進行處理，得到輸出數字信號y（n），經D/A變換器轉換成模擬信號，此信號經低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的雷達干擾信號y（t）。

圖1 數字信號處理系統框圖

二、數字信號處理的優點

數字信號處理作用簡單來說就是把模擬信號數字化，轉換成0和1組成的序列。它的優點主要是設備靈活、精確、抗干擾能力強、遠距離傳輸不失真，模擬信號在遠距離傳輸時信號衰減大，且抗干擾能力差；在模數轉換時因采樣率的關系會出現失真，但隨著技術的進步采樣率越來越高，這個缺點也越來越不明顯了。

由于數字信號處理具有以上優點，數字信號處理在現實生活中得到了廣泛的應用。目前，數字信號處理技術已廣泛應用于雷達電子對抗、圖像處理、多媒體技術、高清晰度電視、數字音響、AI以及機器人等各個領域。

三、FPGA簡介

（一）FPGA概述

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

（二）FPGA工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。 現場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。

（三）主要生產廠商

目前全球知名的FPGA生產廠商有：

a） Altera，現已被Intel收購，開發平臺是Quartus II；

b） Xilinx，開發平臺包括ISE和vivado；

c） Actel，開發平臺是Libero；

d） Lattice，開發平臺是diamond；

（四）FPGA的優越性

FPGA實現數字信號處理的能力與DSP器件相比，主要存在以下幾個優點：

（1）高速并行處理能力。FPGA最大優勢是其并行處理機制，即利用并行架構實現數字信號處理的功能；這一并行機制使得FPGA特別適合于完成FIR等數字濾波這樣重復性的數字信號處理任務；對于高速并行的數字信號處理任務來說，FPGA性能遠遠超過通用DSP處理器的串行執行架構。

（2）接口靈活性。FPGA的IO橋接種類繁多，不同種類的級別的FPGA支持的IO標準和協議都不盡相同，但是這些IO的驅動能力或是電壓都是可編程配置的。DSP內部有很多現成的硬件模塊和接口以及控制器，但是需要軟件編程設定，可以實現PWM控制，接口控制，UART接口，SPI接口等功能。但是由于受指令集的時鐘周期的限制，DSP不能處理太高的信號，對于速率等級為Gbps的LVDS之類信號就很難以涉及了。

四、FPGA在數字信號處理領域的應用

（一）實時數字圖像處理

實時圖像處理通常涉及到大量的運算，需要很高的計算速度、存儲容量和數據帶寬。這對基于傳統應用而設計的通用處理器而言，是個巨大的負擔。因此，以往多采用價格比較昂貴的專用圖像處理芯片來滿足需求。專用的圖像處理器件主要有專用集成芯片ASIC（Application Specific Integrated Circuit）、數字信號處理器DSP（Digital Signal Process）和現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）以及相關電路組成。它們可以實時高速完成各種圖像處理算法。

FPGA器件是當今運用極為廣泛的可編程邏輯器件，FPGA器件在結構上具有邏輯功能塊排列，可編程的內部連線連接這些功能模塊來實現一定的邏輯功能。工作時，這些配置數據存放在片內的SRAM中，使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要從芯片外部加載配置數據，配置數據可以存儲在片外的EPROM或其他存儲體上，設計者可以控制加載過程，在現場修改器件的邏輯功能，即所謂現場編程。FPGA有很強的靈活性，可以根據需要進行重構配置，有較強的通用性，適于模塊化設計；同時其開發周期短，系統易于維護和擴展，適合實時的信號處理，能夠大大提高圖像數據的處理速度，滿足系統的實時性要求。與此同時，FPGA自身也在迅速發展，其集成度、工作速度不斷提高，包含的資源越來越豐富，可實現的功能也越來越強。隨著EDA技術的不斷發展，FPGA依靠其真正的硬件并行性和極大的靈活性， 以及能夠迅速占領市場的巨大優勢，已經得到了廣泛的應用。尤其在視頻圖像處理中，需要對大量的高速、并行的視頻流數據進行實時處理，FPGA更能發揮其獨有的優勢。

（二）軟件無線電領域應用

數字信號處理技術是軟件無線電通信系統的基礎。目前盡管低功耗、超強功能的數字信號處理器發展迅速，但數字信號處理器在速度、功耗上的現狀仍然是制約軟件無線電發展的關鍵之一。數字信號處理的另一研究內容就是軟件，軟件是軟件無線電技術的核心。在目前數字信號處理器不能滿足軟件無線電設計要求的情況下，開發數字信號處理軟件應是軟件無線電技術的主攻方向。這其中包括各種FFT算法、調制解調、信源編碼、信道編碼等各種通信軟件，也包括方式控制、信號控制和數據交換軟件。FPGA已從靈活的邏輯設計平臺發展到信號處理引擎。當前軟件無線電的算法主要在FPGA上實現，這是由于FPGA的靈活性和實時處理能力所致。FPGA 因有效的適合于高速并行乘法累加函數。現代FPGA可執行18×18乘法運算，速度超過200MHz。這使得FPGA成為FET、FIR，數字下變頻器（DDC）、數字上變頻器（DUC）、相關器和脈沖壓縮（用于雷達處理）運算的理想平臺。

（三）水聲信號處理領域

高分辨率圖像聲納和多波束測深等領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具有很高的數據吞吐能力。以往的聲納系統通常采用高速信號處理器（DSP，如TI公司生產的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。

現在，隨著可編程邏輯器件技術的發展，具有強大并行處理能力的FPGA在性能、成本、體積、功耗等方面部顯示出了其優勢。若采用FPGA作為DSP的協處理器，專門執行實時性強、運算量大、算法結構規整的算法，DSP將從重復繁瑣的工作中解脫出來，整個系統的性能也將顯著提高。

在水聲信號處理中，FFT變換、數字濾波、相關運算是應用得最為廣泛的幾種數字信號處理算法，高效地實現上述算法具有很高的實用價值。

五、總結研究及發展

除了國內外很多院校和科研機構一直在從事研究基于FPGA的數字信號處理應用之外，近幾年基于市場需求，出現了很多新興領域，如O2O、大數據、穿戴設備、AI、深度學習等，這些領域也基于FPGA在數字信號處理的應用，解決各自領域遇到的一些工程技術瓶頸，尤其是有Google、Nvidia這樣的行業領頭公司在推動，帶來了很多基于FPGA的數字信號處理需求，不斷推動其在工程領域的發展。

在FPGA信號處理和系統方面，有了喜人的進展，正在進行與世界先進國家同樣的研究。如國防科學技術大學的ATR實驗室采用了FPGA可重構計算系統進行機載圖像處理和自動目標識別，主要是利用該系統進行復雜的卷積運算，同時利用它的可變柔性來達到自適應的目的。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，為數字信號處理開創了新的領域，使得構造的數字信號處理系統能夠保持基于軟件的解決方案的靈活性，又能夠接近ASIC的性能。FPGA內部的功能塊中的SRAM查找表（Look Up Table，刪構成函數發生器，這種結構特別適用于并行處理結構，如分布式算法（Distributed Arithmetic，DA）。相對于串行運算為主導的通用DSP芯片來說，其并行度和可擴展性都很好，它逐漸成為構造可編程的高性能算法結構的新的選擇。據分析，在未來，數字信號處理器將會主宰需要復雜算法的應用領域，而FPGA將會統治更多前端的應用，如FIR濾波、CORDIC算法或FFT。

【參考文獻】

[1] 程佩青，數字信號處理教程.第二版.北京：清華大學出版社，2001，1-91.

[2] 戴明楨.數字信號處理的硬件實現.第一版.北京：航空工業出版社，1998 1-50.

[3] 楊毅明.數字信號處理. 北京：機械工業出版社，2012，1-50.