FPGA在數字信號處理中的應用

摘 要：數字信號處理技術發展至今已經得到了廣泛應用，基于FPGA對數字信號進行處理能夠提高傳統方法的速率和效率，在數字信號處理的多個方面體現出了明顯優勢。本文對FPGA在數字信號處理中的應用進行了研究和分析，首先簡要介紹了數字信號處理的目的和FPGA相關的基本理論，然后從基于FPGA對數字信號處理的特征和FPGA在處理數字信號時的具體實現兩個方面重點分析了FPGA在數字信號處理中的應用。FPGA的應用有效提高了對數字信號進行采集、處理和分析的能力，可顯著提高數字信號處理領域的經濟效益和應用價值。

關鍵詞：FPGA，數字信號處理，應用

1引言

上個世紀六十年代，數字信號處理技術開始發展起來，隨著信息技術的不斷發展，該技術逐漸成為一種新興學科。近年來，數字信號處理技術的應用范圍不斷擴大，各類應用或系統對數字信號處理技術的要求也逐漸提高。在傳統的數據信號處理中，通常利用DSP芯片對信號進行分析和處理，但是這種方式存在速率較低、實時性較低的問題，但是面對新的應用需求，DSP技術已經難以滿足[1]。在此背景下，FPGA芯片應運而生，在市場需求的不斷擴大和驅動下得到了飛速發展，截止目前，FPGA芯片已經在數字信號處理領域發揮了重要作用，在市場份額中占據的也較大。本文對FPGA芯片在數字信號處理中的應用進行了研究和分析，期望能為該領域的研究者提供參考和借鑒。

2數字信號處理和FPGA理論分析

數字信號處理技術的基本原理是利用多種技術，包括網絡信息技術、計算機技術等對科學進行應用，將信號進行數字化處理，進而實現對信號進行有效的采集以及后續的分析和應用，并最終尋找到能夠在實際應用中發揮作用的質量較好的信號形式[2]。數字信號處理技術相比于傳統的信號處理方式具有諸多優勢，包括信號的預見性、穩定性以及適用性等，且這種技術處理所需花費的代價較低，成本可控。當前，隨著各類信息技術的不斷提高，數字信號處理過程中存在數據量大、運算復雜等特點。同時，數字信號處理技術在應用過程中通常對數據的處理速率和實時性要求較高。因此，高速計算、實時處理等成為了數字信號處理領域的重要發展方向之一，這也為數字信號處理提出了更高要求。而FPGA芯片的出現能夠有效滿足這類需求，目前已經在數字信號處理領域得到了廣泛應用。

FPGA芯片是近年來較為流行的信號處理芯片，可以提供給用戶進行科學化的編程，將數字電路中所需的邏輯功能，以函數或布爾表達式的形式進行表示，進而使得具備邏輯功能的數字集成電路能夠真正投入應用[3]。在FPGA的各類應用中，FPGA芯片的諸多優點發揮了重要作用，包括較高的可靠性和集成性等，這些特點使得FPGA芯片能夠在實際應用中采用并行或者串行的方式進行工作，而在時鐘延遲方面，FPGA能夠做到納秒級的時鐘精度。

3FPGA在數字信號處理中的應用分析

FPGA已經在數字信號處理領域得到了廣泛應用，在應用過程中，與傳統的數字信號處理方式相比具有明顯優勢或顯著特點。下面本文從基于FPGA對數字信號處理的特征和FPGA在處理數字信號時的具體實現兩個方面進行具體闡述。

3.1 基于FPGA對數字信號處理的特征

FPGA目前在數字信號處理過程中發揮了重要作用，在利用FPGA對數字信號進行處理時，會從多個方面體現出不同特點，具體如下：

（1）在FPGA的早期應用中，FPGA芯片主要利用供應商提供的對應軟件，在實際工作中對電路進行科學且專業的設計，這種方式能夠設計出不同門級的產品。與其他芯片相比，FPGS芯片在性能處理速度方面具有明顯優勢，且在實際的應用中，不管是在軟件設計質量方面還是在系統的運算方面，都體現出了較高的應用水平[4]。但是，在于基于硬件的信號處理系統相比，這種方式也存在一定缺陷，如在對信號進行處理控制時速度偏低。存在這種問題的重要原因是，很多配套軟件在執行命令時是按照一定的命令進行的，這樣會使得相應的命令的執行、運算的控制以及各種運算步驟的迭代會存在可優化的空間。

（2）FPGA的應用極大提高了現有數字信號采集的質量和效率，近年來，隨著網絡技術、計算機技術等科學技術水平的不斷提高，基于FPGA的應用中，狀態機能夠以另外一種方式對A/D信號進行采集，使得信號采集在質量和效率方面明顯優于傳統方法。

（3）FPGA在信號處理中的應用能夠使得信號處理的速率和實時性得到很大提高。FPGA芯片的應用基本能夠取代原有基于DSP芯片的信號處理，且基于FPGA芯片能夠將現有各種資源進行整合，將各種資源之間的協調能夠進行有效提升。

3.2 FPGA在處理數字信號時的具體實現

在傳統的數字信號處理領域，通常利用DSP芯片完成相應工作，但是這種工作方式存在一定的問題和缺陷。與DSP相比，FPGA自身具備的諸多優勢能夠明顯彌補或改善DSP存在的問題，可以明顯提高對信號處理的水平和效率。具體而言，主要體現在以下幾個方面：

一是FPGA芯片在實際應用中的狀態更優。FPGA芯片應用時，通常需要對快速加法器或者乘法器進行合理高效設計，這樣可有效提高數據運算的速率。

二是FPGA具備對大規模集成技術的綜合應用能力，這種技術的應用使得基于FPGA對信號進行處理時，可以在對信號進行匹配濾波時對數字脈壓數據進行加權處理，從而減少脈沖壓縮系統所占的系統資源，通過這種方式的處理，可以在穩定性和安全性兩個主要方面對系統的應用性能進行提高[5]。

三是FPGA具備優越的并行計算性能，傳統的基于DSP的數字信號處理方式存在速率較低的問題，而FPGA的并行計算能力能夠對這種缺陷進行有效彌補，尤其在當前的大數據時代，面對海量數據低速的處理能夠會導致應用效果較差，可FPGA的高速處理性能面對這種應用時能夠發揮極大作用。

四是FPGA在現場編輯器中的高效實用，能夠使FFT算法得到實現。通過對FPGA芯片的應用，可以采用語言性描述來對硬件進行調用，且能夠實現靈活的編程處理，實現硬件資源對數字信號的高效處理。

4結論

當前，FPGA芯片在數字信號處理中的廣泛應用顯著提高了信號處理的效率和質量，彌補了傳統基于DSP對數字信號進行處理存在的各種缺陷。本文重點對FPGA在數字信號處理中的應用進行了研究，首先簡要介紹了數字信號處理的目的和FPGA相關的基本理論，然后重點分析了FPGA在數字信號處理中的應用，主要從基于FPGA對數字信號處理的特征和FPGA在處理數字信號時的具體實現兩個方面進行闡述。通過本文的研究和分析，可以增強對基于FPGA對數字信號進行處理的認識。從以上研究可以看出，FPGA的應用有效提高了對數字信號進行采集、處理和分析的能力，這種處理能力能夠顯著提高數字信號處理領域的經濟效益和應用價值，也將進一步擴大FPGA的應用范圍。

參考文獻

[1]孫文莉， 王海濤， 蔡磊. 基于FPGA與DSP的發動機參數采集系統設計[J]. 計算機測量與控制， 2019（6）：186-189.

[2]胡鐵喬， 李恒昶. 基于FPGA+DSP的ADS-B欺騙干擾檢測優化[J]. 中國民航大學學報， 2019（5）：1-4.

[3]程然， 馬柯. 一種DSP+FPGA/CPLD控制系統互聯及同步策略[J]. 電力電子技術， 2019（6）：35-38.

作者簡介：銀江（1976.4.4），男，漢，內蒙古，四川九洲電器集團，工程師，電子工程。