基于FPGA的数字信号处理

基于FPGA的数字信号处理[摘要]近年来，随着科学技术的提升以及人工智能的普及，数字信号处理已经变得尤为重要。数字信号处理技术是集信息采集、处理、加工、传播等多学科为一体的现代科学技术，已经成为了当今世界科技发展的重点。基于FPGA的数字信号处理更是具有强大的功能，其应用领域广泛，包含医学、机械、交通、通信等诸多领域，具有很大的发展优势。[关键词]FPGA数字信号处理中图分类号：TG506文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）28-0062-01随着21世纪的到来，我们步入了数字化时代，数字化时代的重点在于数字信号处理。20世纪80年代，首次出现了专门用于数字信号处理的数字信号处理器（DSPs），随着半导体工艺的不断发展，DSPs的性能不断提高，价格不断降低。DSPs以其高可靠性、良好的可重复性，以及可编程性已经在消费市场和工业市场中广泛地使用。DSP处理器发展的趋势是结构多样化，集成单片化，开发工具更完善，评价体系更全面更专业。随着FPGA制造工艺的不断发展，FPGA已经从传统的数字逻辑的设计，发展到用于进行数字信号的处理和嵌入式系统的设计，这就使得数字信号处理技术向着多元化实现的方向发展。1.数字信号处理1.1数字信号处理的基本概念数字信号处理，简称DSP，广泛地应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、军事、航空航天、医疗等。DSP技术可以快速地对采集的信号进行量化、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合需要的信号形式。1.2数字信号处理算法的分类1）线性滤波。主要用于从信号中移除高频背景噪声。此技术可被用在任意一个应用中，只要两个信号可以通过它们占据的频带加以区分。2）信号变换主要应用于信号分量分析、信号检测等。将一个信号变换到不同的域中通常可以更方便地观察和分析一个信号。3）非线性信号增强/滤波主要应用于通过中值滤波去除脉冲噪声。有些信号通常得益于非线性滤波的应用。音频非线性滤波器是针对处理脉冲噪声的，该信号被一个脉冲所干扰。4）信号分析/解释/分类/主要应用于心电图、语音识别、图像识别等。目的是用一个已知的图案与输入信号比较，以便识别输入信号并输出某些参数化的信息。5）压缩/编码主要应用于高保真音频、移动通信、视频会议、ECG信号压缩等等。压缩是目前音频和电信业务中的一个重要的领域。6）记录/复原该过程和压缩过程相反，其目的是提取并恢复原始的信息。1.3数字信号处理实现方法1）专用集成电路专用集成电路为全定制数字硬件，其优点主要有：使用ASIC的实现更加迅速和有效；对于大批量生产，ASIC的成本相对较低。但ASIC也有下面的缺点：ASCI流片时间长；ASIC设计过程复杂且昂贵；由于不具备可重复编程的能力，ASCI没有灵活性。2）现场可编程门阵列现场可编程门阵列内提供了大量的可编程的逻辑资源、布线资源和I/O模块。近年来，为了使用FPGA进行数字信号处理，在FPGA内也集成了专用的DSP处理模块来提高数字信号处理的性能。3）数字信号处理器数字信号处理器是专门用于数字信号处理的处理器芯片，典型的有TI公司和ADI公司的DSP处理器芯片，两者在性能方面各有千秋。2.FPGA概述FPGA内部包含了大量可通过编程连接的逻辑门，因此FPGA提供了具有可变字长的、灵活的、具有潜在并行处理能力的架构。有些FPGA还包含DSP处理内核来执行通用的DSP算法，使用FPGA进行数字信号处理时满足特定的处理速度和性能要求。3.基于FPGA的数字信号处理流程Xilinx针对FPGA上进行数字信号处理提供了SystemGenerator和AccelDSP两个软件工具用来帮助设计人员建立信号处理的模型，并完成信号处理模型的实现过程。1）基于SystemGenerator的数字信号处理流程SystemGeneratorforDSH是业内领先的高级工具，用于借助FPGA来设计高性能DSP系统，SystemGeneratorforDSP是XilinxDSP工具（其还包含Acceldsp综合工具）的一部分。该工具的关键特性如下：1）DSP建模在Simulink内，利用包含信号处理（如FIR滤波器、FFT）、纠错（如Viterbi解码器Reed-Solomon编码器/解码器）、算法、存储器（如FIFO、RAM、ROM）及数字逻辑功能的Xilinx模块集构建和调试高性能DSP系统。2）从Simulink自动生成VHDL或Verilog代码实现行为（RTL）产生，并面向Xilinx模块集内的特定XilinxIP核。SystemGenerator支持从AccelDSP综合工具生成的模块，并且还通过其黑盒支持定制HDL。3）硬件协仿真代码生成选项，允许设计人员验证工作硬件并加速Simulink与MATLAB中的仿真。SystemGenerator支持以太网（10/100/千兆位）以及硬件平台与Simulink之间的JTAG通信。4）嵌入式系?y的硬件/软件协设计构建和调试用于XilinxMicroblaze软处理器核的DSP协处理器。SystemGenerator提供了HW/SW接口的共享存储器提取功能，自动生成DSP协处理器、总线接口逻辑、软件驱动器及协处理器用法方面的软件技术文档。2）基于Accels的数字信号处理流程1）检查浮点模型的代码类型。设计者可以首先验证MATLAB设计，该设计遵循最小的AccelDSP类型指南，这些类型在MATLABforSynthesisStyleGuide手册中进行了说明。2）创建AccelDSP工程。设计者可以调用AccelDSP综合工具，然后建立工程，并输入工程名称。3）验证浮点模型。在MATLAB脚本文件中有验证结构，用于产生激励源和绘制结果。这个输出图形用来和将来的结果进行比较。4）分析浮点模型。该步骤创建一个在内存中的模型。5）产生定点模型。该步骤产生设计的定点模型，然后把设计文件放在新生成的MATLAB文件夹内。6）验证定点模型。当单击VerifyFixedPoint选项时，AccelDSP自动运行MATLAB定点仿真，通过图形比较定点和浮点模型是否匹配。7）产生RTL模型。该步骤从内存设计数据库中产生RTL模型。RTL模型用VHDL/Verilog表示。8）使用仿真工具验证RTL模型。单击VerifyRTL选项来运行HDL仿真工具在仿真报告中给出PASSEL或者FAILED信息。9）综合RTL设计到门级网表。该步骤调用一个预先指定的RTL综合工具，然后产生门级网表，用于将来为实现工具的布局和布线。10）实现门级网表。单击Implement选项来调用ISE的实现工具对设计进行布局布线。设计者感兴趣的文件是门级的HDL仿真文件和包含用于配置FPGA硬件的比特流文件。11）验证门级设计。该步骤使用AccelDSP测试平台在门级HDL仿真模型上来运行位真仿真检查。PASSED信息说明所实现的设计是位真的。总结：在当今二十一世纪的智能化时代，信息以及信?处理技术已经以其独特的优势引起了各行各业的重视。其中，数字信号处理技术在短波通信领域以及其他领域都发挥了巨大的作用。而基于FPGA的数字信号处理技术更能够适应时代的要求，提高计算速度，减少对电子设备功能的损耗，拓宽数字信号处理技术应用的领域，从而为人类的生产和生活提供更多多的便利。参考文献[1]FPGA数字信号处理实现原理及方法.清华大学出版社.2010[2]数字信号处理的FPGA实现.清华大学出版社.2006