FPGA在數字信號處理中的應用研究

李月月 葉秀麗 薛雯宇

數字信號處理的應用優勢較強，因此在當前得到了廣泛使用，其主要將采集到的信號轉換為數字形式，為后續的分析處理提供支持。就當前的情況來看，多種系統對數字信號處理的要求有所提升，使得原有的處理芯片不再適用。現階段，FPGA芯片迅速發展，逐步取代原有芯片，并被大量應用于數字信號處理領域中。

1 FPGA與數字信號處理的概述

1.1 FPGA

FPGA（現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域中的一種半定制電路而出現的。對于FPGA而言，其具有極高的應用優勢，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有限的問題。

FPGA應用了邏輯單元陣列概念，其內部主要包括三部分，即可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內部連線。相比與傳統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，因此擁有不同的內部結構。

1.2 數字信號處理技術

對于數字信號處理技術來說，其主要指在模擬信息（圖片、聲音、視頻等）向數字信息轉換中所應用的技術。寬泛的來講，數字信號處理技術為數字信號處理理論的應用實現技術，主要包含數字信號處理理論、硬件技術、軟件技術。在實際的使用中，該技術高度穩定、可程控、可重復性強、抗干擾且修改簡單，因此得到了廣泛應用。

2 基于FPGA的數字信號處理算法的實現

2.1 數字信號處理系統的結構

數字信號處理的特點主要有運算過程相對復雜、大數據結構相對固定、數據量相對較大等等，基于此，在實踐中，普遍使用了單指令多數據流的計算方法。具體來說，就是對大量的數據使用同一種程序代碼展開反復的計算。在數字信號處理系統中，對實時性的要求更高，能夠實現數據接收與分析計算的同時展開，促使整個流程的流水化。

根據數據的輸入量與算法復雜程度的不同，對數字信號處理芯片的性能要求也存在著較大差異。以數據流控制來說，想要對信號進行高速、實時性處理，可以使用的方案包括流水處理、并行處理、RISC結構以及陣列結構;以硬件選型來說，想要實現信號的高速、實時性處理，可以使用的器件或技術主要有可編程器件、專用芯片、高速器件、超并行列陣、其他EDA技術。總體來看，實時處理、大吞吐量、高速計算是當前數字信號處理系統的主要發展趨勢，而引入FPGA就能夠達到上述目標。因此，FPGA在數字信號處理領域得到了廣泛應用。

2.2 基于FPGA的FFT算法實現

在長時間的發展中，已經形成了多種可以應用于數字信號處理領域的技術，且這些技術在不同應用場景下均占據較大市場。然而，從性能的角度進行分析，在數字信號處理中單片機等信號處理單元雖然得到廣泛應用，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]。

處理速度是多數應用場景中重點追求的內容，也是系統最重要的性能，而通用數字信號處理芯片難以達到高速。在實際的信號處理中引入FPGA就能夠彌補這一缺陷，具體來說，使用FPGA展開算法變成能夠獲得更高的信號處理速度，這也是當前技術條件下提升速度的最優方案。此時，在硬件陣列的條件下應用并行處理即可。

現階段，可編程器件生產技術不斷提升，依托FPGA芯片能夠完成多樣的復雜算法。在當前的數字信號處理中，傅里葉變換占據著核心地位。文章主要選取傅里葉變換中的FFT算法進行FPGA應用的分析。依托FPGA實現FFT算法的核心在于設計蝶形處理模塊。筆者使用FLEXIOK仿真器件作為硬件平臺，保障數字信號處理實踐的高速與實時性。在FPGA芯片的支持下乘法運算得以迅速完成，為FFT算法的實現提供了有力支持。

該過程中，可以使用VHDL編程對高度數字信號處理乘法運算單元實施調用，以此完成蝶形運算結構的構建;在該蝶形處理模塊的支持下組成FFT運算級，結合反復迭代，就可以實現FFT算法的并行計算。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性能的參數。

2.3 FFT處理器的構建

傅里葉變換原理表明，基數有著多種劃分方法，且基數與系統資源占用率呈現出正比例的關系，具體有：當基數越大時，所占用的系統資源也就越多，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資源的分配高度平衡。在FFT算法中，運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，由于必須要在計算中應用大量的旋轉因子，所以加設了ROM存儲器，以此完成緩存操作。此時，控制單元提供算法執行過程中所需要的所有控制信號;計算數據的緩沖由一號存儲器承擔;中間結果的暫時保存由二號存儲器承擔。依托控制器的指揮，中間數據、使能信號與地址信號均有序工作，并完成計算結果及其指示標志的輸出。

3 FPGA在數字信號處理領域的具體應用探究

3.1 在音視頻領域的應用

現階段，新媒體技術迅速發展，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;從圖像處理方面來看，不僅要求著更高的圖像質量以及穩定性，還需要圖像可以直觀的反映出內容與情感。為了實現這一目標，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，若是依舊使用傳統的音視頻處理芯片，則難以滿足上述需要。而在這樣的數字信號處理中應用FPGA芯片就能夠達到當前對音視頻質量與效果的現實需求，完成富有創意的作品創作，賦予音視頻以新的風格。

在FPGA的支持下，用戶可以結合自身個性化需求完成高性能產品的開發;在預算充足的前提下，使用該芯片也能夠提升產品性能。就當前的情況來看，用戶對音視頻產品的個性化需求更高，而使用FPGA就能夠做到針對性分析，結合具體問題進行實現產品定制，促使市場中的音視頻產品不斷推陳出新。基于此，明顯推動了音視頻領域與信號處理系統的升級，為我國文化產業的更好發展提供支持。

3.2 在軟件無線電領域的應用

可以重新展開硬件配置的無線設備為軟件無線電，由于其能夠在多種通信標準下有效使用，因此在當前的通訊操作中，該設備得到了廣泛應用。相比于其他設備來說，軟件無線電的成本更低、靈活性更強，有著極高的應用優勢，在商用與軍事領域均發揮著較大作用。而通過在其中引入FPGA，能夠實現軟件無線電的基帶優化處理，達到系統延長的效果，提升了設備性能。同時，依托FPGA，可以進一步增強處理器之間動態軟件部分交換的靈活程度，促使系統能夠從一個標準更迅速、高質量、準確的切換至另一個標準上。

需要注意的是，FPGA與數字信號處理并非為完全獨立的，兩者之間可以展開協同運行，推動系統性能顯著提升的同時，達到降低成本的效果。總體來說，FPGA為軟件無線電的基帶處理提供了新路徑。

總 結

綜上所述，現階段，原有的數字信號處理芯片無法滿足現實需求，推動著FPGA芯片的迅速發展。由于FPGA具有極高的應用優勢，因此逐被大量應用于數字信號處理領域中。相比于普通數字信號處理芯片來說，FPGA芯片的靈活性更強、使用性能更高，依托FPGA芯片完成多樣的復雜算法有著更高的可行性。當前，FPGA在音視頻領域、軟件無線電領域以及水聲信號處理中得到了深入應用，推動了數字信號處理領域的技術升級。