基于FPGA的“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計教學(xué)實(shí)踐

楊 莉,施國勇

(上海交通大學(xué)微電子學(xué)院,上海 200240)

0 引言

“數(shù)字信號處理”是電類專業(yè)的主干課程。如何引導(dǎo)學(xué)生理解數(shù)字信號處理算法的物理意義,并在實(shí)際工程中加以靈活運(yùn)用成為“數(shù)字信號處理”實(shí)踐教學(xué)中的關(guān)鍵[1］。

我國高校開設(shè)的“數(shù)字信號處理”實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容,一般以Matlab軟件作為仿真平臺,對課程中的時域離散信號、系統(tǒng)的時頻域理論和數(shù)字濾波器設(shè)計理論進(jìn)行仿真實(shí)驗[1-3］,這對學(xué)生掌握數(shù)字信號處理基本知識是有效的。

目前數(shù)字信號處理系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式一般有三種:①利用通用可編程DSP芯片進(jìn)行開發(fā)的方式較簡單,但資源受到限制,并行度差[4,5］;②采用專用集成電路ASIC方式進(jìn)行開發(fā)效率高,但開發(fā)流程長,成本高,開發(fā)出來的系統(tǒng)不能更改;③采用FPGA芯片進(jìn)行開發(fā)?？梢蕴峁└咝屎透哔|(zhì)量的數(shù)字系統(tǒng)?，F(xiàn)在,FPGA正在越來越多地代替ASIC和DSP芯片完成數(shù)字信號處理系統(tǒng)的開發(fā)。

我院已設(shè)立了“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計這個實(shí)踐環(huán)節(jié),以Xilinx公司提供的集成開發(fā)工具System Generator和Digilent公司提供的Virtex-Ⅱ Pro開發(fā)板,作為“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計的軟、硬件平臺。在此平臺上,學(xué)生最終能完成一個較完整的數(shù)字信號處理的工程實(shí)現(xiàn)方法和流程。

1 課程設(shè)計理論部分

理論部分主要立足于與硬件相關(guān)的部分,并增加一些與實(shí)踐緊密結(jié)合的新的算法和理論。主要內(nèi)容包括數(shù)制、數(shù)據(jù)量化、乘累加單元、除法和開根號等基本運(yùn)算單元的電路設(shè)計以及在FPGA中的實(shí)現(xiàn)原理,這些是DSP系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。另外,還補(bǔ)充了CORDIC算法和在軟件無線電中使用廣泛的級聯(lián)積分梳狀CIC(Cascade Integrator Comb)濾波器相關(guān)內(nèi)容。這些理論知識對學(xué)生理解實(shí)際企業(yè)工程系統(tǒng)開發(fā)流程有很大幫助。

2 課程設(shè)計實(shí)驗部分

實(shí)驗部分包括基礎(chǔ)實(shí)驗和綜合設(shè)計實(shí)驗兩大類:以System Generator軟件和Virtex-ⅡPro開發(fā)板作為軟、硬件實(shí)驗平臺。將先進(jìn)的硬件開發(fā)平臺和系統(tǒng)仿真工具融入到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中,直接同業(yè)界流行的工程開發(fā)流程接軌,可以提高學(xué)生未來在工作中的適應(yīng)能力。

System Generator軟件適用于簡化 FPGA數(shù)字信號處理系統(tǒng)開發(fā)的一款集成工具,該軟件可與Simulink實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。利用Simulink建模和仿真環(huán)境來設(shè)計高性能DSP系統(tǒng),不需要設(shè)計者了解和實(shí)現(xiàn)RT L級硬件語言,能發(fā)揮基于FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的最大性能和靈活性,縮短整個設(shè)計的周期。

Virtex-ⅡPro開發(fā)板包含3萬多個邏輯單元,136個18位乘法器,兩個PowerPC處理器核以及豐富的接口,幾乎可被用于從入門課程到高級研究項目應(yīng)用的各個階段,很適合在其上進(jìn)行各種級別的DSP系統(tǒng)的開發(fā)。

1)基礎(chǔ)實(shí)驗

基礎(chǔ)實(shí)驗的設(shè)置參考了Strathclyde大學(xué)的數(shù)字信號處理培訓(xùn)資料[6,7］?；A(chǔ)實(shí)驗設(shè)計指導(dǎo)書寫得非常詳細(xì),學(xué)生設(shè)計可完全按照指導(dǎo)書步驟進(jìn)行。因為以模仿和驗證為主,學(xué)生可快速了解基于此類軟/硬件平臺進(jìn)行DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程,為完成綜合設(shè)計實(shí)驗打下良好基礎(chǔ)。基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)主要分為三部分。

第一部分通過一個簡單的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計,使學(xué)生了解利用Simulink/System Generator軟件設(shè)計數(shù)字信號處理系統(tǒng),并轉(zhuǎn)化成bit流下載到開發(fā)板上的過程。學(xué)生可了解構(gòu)成DSP系統(tǒng)的運(yùn)算邏輯單元如何在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn),為此需考慮軟件編程和實(shí)際硬件開發(fā)的不同。比如數(shù)據(jù)的量化,運(yùn)算時數(shù)據(jù)的溢出,如何判斷芯片資源是否足夠用于系統(tǒng)的開發(fā)等等,讓學(xué)生進(jìn)一步了解實(shí)際與理論的區(qū)別,首次設(shè)計一個真正的DSP實(shí)驗系統(tǒng)。

第二部分設(shè)計一個比較完整的DSP系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)包括輸入輸出和濾波器的設(shè)計,并采用軟硬件協(xié)同仿真的方式使學(xué)生了解仿真與實(shí)際DSP系統(tǒng)結(jié)果的區(qū)別,以及了解利用工具進(jìn)行系統(tǒng)硬件分析的方法。圖2為帶通濾波器系統(tǒng)輸入輸出信號軟硬件仿真結(jié)果。

圖1 基于System Generator的軟硬件協(xié)同DSP系統(tǒng)

圖2 帶通濾波器系統(tǒng)輸入輸出信號仿真結(jié)果

第三部分是一些與新技術(shù)發(fā)展趨勢相關(guān)的實(shí)驗內(nèi)容。如前面提到的CIC濾波器是常用于軟件無線電中多速率采樣抽取或內(nèi)插過程中的高效濾波器,它不需要復(fù)雜的乘法運(yùn)算。它在需要較高速率系統(tǒng)中,和普通的FIR濾波器相比有著較大的優(yōu)勢。CIC濾波器結(jié)構(gòu)簡單,易于工程實(shí)現(xiàn)。本部分就是采用Simulink/System Generator軟件設(shè)計一個CIC濾波器,并將其放入到一個通信系統(tǒng)中,查看其效果。

2)綜合設(shè)計實(shí)驗

在課程設(shè)計的后期,我們?yōu)閷W(xué)生安排了一個綜合設(shè)計實(shí)驗。

綜合設(shè)計實(shí)驗原則上是教師結(jié)合自身教學(xué)和科研工作以及開發(fā)板所能提供的接口,所提出的實(shí)驗項目。比如語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計和圖像信號去噪系統(tǒng)設(shè)計等。

學(xué)生分組根據(jù)教師給定的實(shí)驗?zāi)康?、設(shè)計要求和實(shí)驗條件,查閱資料,進(jìn)行方案設(shè)計。學(xué)生實(shí)驗完成后現(xiàn)場演示實(shí)驗結(jié)果,采用PPT答辯方式說明設(shè)計思路及方案,交出課程設(shè)計報告。

3 結(jié)語

“數(shù)字信號處理”是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程,理論與實(shí)踐相互依存。如何正確引導(dǎo)學(xué)生,將理論課與工程實(shí)踐緊密結(jié)合起來,完成課程設(shè)計這一教學(xué)環(huán)節(jié),是“數(shù)字信號處理”課程體系的重要內(nèi)容。只有讓學(xué)生真正理解基礎(chǔ)理論,同時掌握工程實(shí)現(xiàn)的基本技能,才能在未來的實(shí)際工作中發(fā)揮出最大的潛力。

[1］胡學(xué)友,王穎,胡云龍.“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革與實(shí)踐[J］.南寧:高教論壇.2007,vol 3:67-69

[2］高遠(yuǎn).基于MA TLAB的《數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J］.南寧:高教論壇.2007,vol 4:141-143

[3］李軍,周亞訓(xùn).基于MAT LAB和DSP的數(shù)字信號處理課程實(shí)驗設(shè)計[J］.上海:實(shí)驗室研究與探索.2007,26(1):26-30

[4］管慶,蔡竟業(yè)等.“數(shù)字信號處理”與“DSP技術(shù)”課程的關(guān)系[J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報.2008,30(6):86-88

[5］楊風(fēng)開,王彬,李軍.面向電氣類學(xué)生的DSP實(shí)現(xiàn)FFT的實(shí)驗教學(xué)研究[J］.北京:中國電力教育.2008,vol 120:149-151

[6］Bob Stewart,Steve Alexander,Jamie Bowman The DSP primer.Xilinx University Program,April 2006.

[7］Bob Stewart,Steve Alexander,Jamie Bowman DSP primer.Xilinx University Program,January 2006.