基于fpga数字信号处理算法探究和高效实现

《基于fpga数字信号处理算法探究和高效实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、基于FPGA数字信号处理算法探究和高效实现【摘要】随着现代工业的发展，人们对数字信号的处理要求越来越高，特别是对数字信号的实时性要求提出很高的要求，但是当现有的信号处理器都无法达到所需要的速度时，首先想到的解决办法是增加处理器的数目，或者是采取门阵列的方式。另一方面，随着可编程逻辑器件技术的发展，拥有特殊并行处理能力的现场可编程门阵列在不管是体积、性能还是成本等方面都显示出了无与伦比的优势。本文就基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现问题，进行了浅要探讨。【关键词】FPGA的数字信号处理算法研究高效实现FPGA即现场可编程门

2、阵列，它和数字信号处理领域的霸主地位的DSP相比，FPGA由于能耗、成本、性能的限制，一直没有受到重视，只是在一些外围部分中使用。进入到21世纪，随着新型的纳米技术的使用，FPGA在功耗、性能、成本等方面有了显著的改善，具备在核心中使用的条件；在另一方面来看，3G和互联网时代的到来，要求处理的数字信号量越来越大，并且数字信号的复杂性也将大大增加，要求大量的并行处理。而DSP在做并行处理时并不如FPGA要强，所以，这就为能够处理大量的并行处理的FPGA带来了非常好的发展机遇。本文在此基础之上，研究了基于FPGA的快速傅里叶变换、数字

3、滤波、相关运算等数字信号的高效处理。首先对体系架构发展现状进行了阐述；然后，研究了两种具有相同结构的数字滤波和相关运算的特征，采取了有无乘法器的两种结构实现乘累加运算。无乘法器结构采用分布算法，将复杂的乘法运算转化为易于实现的FPGA的查表和位移累加操作,明显的提高了运算效率；最后，完成了相控阵雷达系统的FFTFPGA算法实现，实验结果表明，本次试验均达到了设计要求。一、体系架构发展现状对于体系架构标准而言，是指对设备机械尺寸、电气标准、互联结构等一系列的规范。而对于现阶段所用到的雷达信号处理机而言，主要采用主要采用采用CPCI与

4、VME两种架构方式，它们所采用的规范分别为PICMIG与VITA组织的规范。但是随着处理数据量的不断增加增加，CPCI与VME这两种架构的总线带宽已不能满足现阶段实际应用需求。为此，PICMIG和VITA组织各自推出了CPCIExpress和VPX总线标准，在一定程度上打破了体系结构与带宽的限制。对于CPCIExpress架构而言，支持通用操作系统与热插拔技术，具有良好的软件适应性特点；对于VPX架构而言，拥有坚固的机械结构与良好的冷却能力，在现阶段对高速传输要求要求不断提升的形势下有着良好的应用前景。二、FPGA的设计基础2.1

5、FPGA的基本构成现在主要的生产FPGA的公司有四家，他们分别是Xilinx、Altera、Lattice、以及Actelo但是这四家生产的FPGA各有特点。主要工艺有SRAM和FLASH这两种。(1)可编程输入输出单元：输入输出单元简称I/O单元，I/O单元特供了连接外接器件的引脚和内部逻辑阵列之间的连接。I/O单元主要由输入触发器、输入缓冲器、输出触发和输出缓冲器组成。(2)基本可编程逻辑单元：可编程逻辑单元是FPGA的主要结构，是实现逻辑功能的结构，可编程逻辑单元主要由触发器和查找表组成。(3)嵌入式块RAM：RAM可用作单

6、端口和双端口，这极大地扩展了FPGA的应用范围和灵活性。(4)布线资源：各种长度的连线和一些可编程连接开关，他们将各个基本可编程和输入与输出连接在一起，构成了各种各样的复杂结构。2.2关于FPGA的设计流程FPGA的设计流程主要由以下几部分组成：设计输入、综合设计、适配、仿真、编程下载。(1)设计输入：以一定的方式将电路系统输入给EDA工具，现在最为常用的两种输入方式为图形法和文本输入法。(2)综合设计：总额输入是指把HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非、触发器、RAM等元器件的连接,并且根据最终的目标要求将生成的连接进

7、行优化，输出能够使FPGA实现的标准的网表文件。(3)适配：配置的用途是将生成好的网表文件配置到指定的目标期间之中，使之产生最终的的下载文件。(4)仿真：将完成布局线后的时延信息反标到网表中所进行的仿真，也叫做时序仿真，简称后仿真。(5)编程下载：到了设计的最后阶段便要进行在线调试或者是将生成的文件写入芯片中进行测试。三、高效FFT处理器的FPGA设计2.1FFT实现的硬件结构(1)递归结构。递归结构简单讲就是顺序结构，采用递归结构的优点是系统占用的资源比较少，简单控制方便；其缺点是运行速度比较慢，很难满足实时信号的处理要求。(2

8、)级联结构。简单的递归结构使用一次蝶形运算单元，占用的资源比较少，但是处理速度慢。级联结构根据不同的级划分出不同的蝶形运算单元，这样每一级就占用一次蝶形单元，没以及完成固定的数据处理操作，然后传递给下一级的蝶形运算单元，以流水线的方式进行处理。这样