fpga在数字信号处理中的应用

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1、FPGA在数字信号处理中的应用1.引言数字信号处理（DSP）是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、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。数字信号处理技术的实质就是将模拟信号或我们现实生活中的一些信号转化为数字信号并对转换后的数字信号进行相应的处理。数字信号处理是从20世纪60年代以来，随着信息科学和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。70年代以来，随着电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理得到了飞速的发展，它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。图1．1给出了数字信号处理系统的简化框

2、图。此系统先将模拟信号变换为数字信号，经数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。其中抗混叠滤波器的作用，是将输入信号x(t)中高于折叠频率(其值等于采样频率的一半)的分量滤除，以防信号频谱的混叠。随后，信号经采样和A／D变换后，变成数字信号x(n)。数字信号处理器对x(n)进行处理，得到输出数字信号y(n)，经D／A变换器转换成模拟信号，此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输出平滑的模拟信号y(t)。图1.1数字信号处理系统简化框图数字信号处理与模拟信号处理相比具有如下优点：1.数字信号在处理过程中更加稳定数字信号参数不象模拟信号参数那样容易受电阻、电容、运算放大器或是温度变化的影

3、响。一个数字系统也很少受器件使用时间的影响，所以数字系统要比模拟系统稳定得多。这保证了应用系统的稳定性以及较长的使用寿命。2.数字信号处理系统的可预见性当一个数字信号处理系统设计完成后，我们可以通过仿真或是其它手段直接看到结果，而且这与最终应用中出现的情况是一样的：同时，所有拷贝的数字信号处理系统间是没有性能差别的。3.特殊功能数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应，还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。4.适应性和可编程能力数字信号处理具有极强的适应能力，可以在多种领域内应用。同时，数字信号处理的设计也相对简单，并且可以根据不同的应用迅速对设计

4、进行改进或重新设计。5.成水低廉数字信号处理器多通过超大规模集成电路实现，相对使用大量的模拟器件完成同一任务来讲，数字信号处理器的成本是很低的。由于数字信号处理具有以上优点，数字信号处理在现实生活中得到了广泛的应用。目前，数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、语音合成、图像处理、多媒体技术、高清晰度电视、数字音响、以及机器人等各个领域。传统的数字信号处理系统设计的方法主要有两种：采用DSP处理器，如1fI公司的TMS320系列数字信号处理器和采用固定功能的DSP处理器或ASIC器件。随着DSP系统复杂程度和功能要求的提高，这些DSP解决方案暴露出来的缺陷越来越明显。DSP处理器方案成本低，

5、但由于软件处理数据不可能有很强的实时性，限制了它在高速和实时系统中的应用；固定功能的DSP器件或ASIC器件可以提供很高的处理速度，但其灵活性差，不适合在实验室或技术开发等场合应用。现在，FPGA为DSP提供了第三种解决方案，FPGA和DSP技术相结合，能够在集成度、速度和系统功能方面满足DSP的需要。由于可编程器件及其开发工具的灵活性，利用FPGA设计DSP系统，同时具备DSP处理器的灵活性和ASIC芯片的实时性。2.FPGA简介2.1FPGA概述FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片发展至今已经有了二十多年的历史，但和

6、DSP很早就确立数字信号处理领域的霸主地位相比，FPGA由于成本、功耗和性能限制，一直被使用在系统外围，从最初用于胶合逻辑，到控制逻辑，再到用于数据通路，慢慢地接近系统的核心。进入21世纪后，随着90和65纳米工艺的采用，FPGA在成本、功耗和性能上大幅改善，具备成为系统核心的条件；另一方面，3G和互联网时代的来临，要求复杂和大量并行处理，DSP在做并行处理时不如FPGA，这为具有强大并行处理能力的FPGA带来了需求。正因为如此，Xilinx、Altera公司最近推出的多款FPGA都具备了强大的数字信号处理能力，在通信、消费、嵌入式等领域，并丌始行使DSP的功能。2.2FPGA的优越性与D

7、SP相比，FPGA实现数字信号处理的主要优越性有：(1)FPGA的高度并行处理能力。FPGA相对DSP芯片的最大优势是其内在的并行机制，即利用并行架构实现数字信号处理的功能。这一并行机制使得FPGA特别适合于完成滤波这样重复性的DSP任务。对于高度并行的数字信号处理任务来说，FPGA性能远超通用DSP处理器的串行执行架构。(2)FPGA具有重配置能力。DSP处理器可以通过加载不同的软件来实现不同的功能，但这相对于ASIC