FPGA在信號處理系統(tǒng)中的應用

宋 飛

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

FPGA在信號處理系統(tǒng)中的應用

宋 飛

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

近年來，數(shù)字科學發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理在信息科學的發(fā)展中發(fā)揮了至關重要的作用。雷達、聲吶、語音、圖像的等領域中都有數(shù)學信號的參與。文章針對FPGA在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的作用，進行了詳細的闡述和探討。

FPGA；信號處理系統(tǒng)；應用研究

數(shù)字信號處理出現(xiàn)于20世紀70年代，也發(fā)展于20世紀70年代。計算機學科的高速發(fā)展帶動了數(shù)字信息處理系統(tǒng)的發(fā)展，促使它成為一門新興的學科。數(shù)字信號處理以它特有的優(yōu)勢，在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應用。它是通過對計算機的利用，將采集到的信息轉變?yōu)閿?shù)字的形式，然后對這種轉換后的形式進行分析處理。

1 數(shù)字信號的優(yōu)點及其作用

1.1 數(shù)字信號獨特的穩(wěn)定性

提起數(shù)字信號，就會想到與之相對應的模擬信號。模擬信號的局限性在于容易受到電阻、電容、溫度等因素的影響，導致模擬信號在使用過程中會出現(xiàn)參數(shù)不準確的情況，給生產(chǎn)生活造成嚴重的影響。但是，數(shù)字信號系統(tǒng)克服了這一局限性，在使用中，很少受到這些因素影響，性能比較穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性不僅保證了系統(tǒng)運行的準確性和效率，同時也能延長使用的時間。

1.2 數(shù)字信號處理系統(tǒng)對結果的直觀性

最初使用模擬信號系統(tǒng)時，需要一段時間才能得到分析的結果。數(shù)學信號系統(tǒng)對結果的分析是直接快速的。數(shù)字信號系統(tǒng)在完成一項操作后，可以借助一些工具和方式將結果直接展現(xiàn)出來。同時，直接展現(xiàn)出來的結果有著高度的精確度，與最終應用到實際中的效果是一致的。

1.3 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的編程簡單明了

正如我們所了解的那樣，對信號的處理是一個復雜的過程，需要專業(yè)人員進行操作，專業(yè)性高。因此，操作起來容易受很多外在因素的影響。數(shù)字信號處理系統(tǒng)針對這一問題進行了改進和發(fā)展。不僅適應力強，能滿足多個領域的需求，更是在操作方面有了突破。它的設計結果較簡單直接，靈活性強。當這一設計不是擁有某一應用時，可以在短時間內迅速進行調整，也可以對結構進行重新設置。

1.4 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的投入低

對于模擬電路而言，投入的成本較高，它的使用需要通過大量不同類型的模擬器來完成，這其實是增加了投入的成本。數(shù)字信號系統(tǒng)的運行一般都是由大規(guī)模的集成電路來實現(xiàn)的。它的成本與其他的相比，投入較低。

2 FPGA的發(fā)展歷史

2.1 最初DSP處理出現(xiàn)的問題

數(shù)字信號處理系統(tǒng)以它自身獨特的優(yōu)勢被應用于很多領域，比如：數(shù)字通信，圖像處理等。對于數(shù)字信號處理系統(tǒng)而言，它的設計方法不是單一的，最常見也是最主要的兩種方式，一個是數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）處理器，另一個是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）。最發(fā)展過程中，DSP的弊端逐漸暴露出來，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，對處理器的要求也越來越高，DSP難以滿足高標準的要求，它對結果的分析出現(xiàn)了大量的問題和缺陷。即使DSP的制作成本相對較低，但是它對數(shù)據(jù)處理的不準確性導致了該處理器實際使用的作用降低。對于可以提供高速度的DSP處理器，靈活性不高，使用的地點只局限于實驗室，在數(shù)字音響、機器人、多媒體技術等方面的應用程度不高。FPGA處理器的出現(xiàn)解決了DSP的問題。

2.2 FPGA的發(fā)展

FPGA作為一個新興的處理器，已經(jīng)有20多年的發(fā)展史。FPGA應用于信號處理系統(tǒng)的時間晚于DSP處理器的運用。最初的FPGA在自身性能方面也存在著大量的問題，隨著對技術的改進和發(fā)展，最終FPGA在成本和性能上都有了質的突破和改變，現(xiàn)在已經(jīng)成為系統(tǒng)至關重要的核心部分?；ヂ?lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，對技術提出了更高的要求，需要進行大量復雜的處理。這種大量的需求，促進了FPGA的市場發(fā)展?，F(xiàn)代科技的快速進步，納米技術工藝成了科學界廣泛研究的領域，納米技術的研究，降低了FPGA的成本，豐富了它的功能，同時在性能上也有著大幅度的提升。

3 FPGA的優(yōu)越性

3.1 并行處理能力強

FPGA在信號處理方面的能力遠高于DSP，原因在于芯片的機制上。DSP使用的是串行的執(zhí)行架構，串行執(zhí)行架構適合應用于簡單的系統(tǒng)分析，對于復雜的系統(tǒng)分析，串行系統(tǒng)容易出現(xiàn)分析結果不正確，系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而FPGA內在采用的是并行機制。并行機制最大的優(yōu)點在于可以利用并行架構對數(shù)字信號進行處理。這種處理方式使得FPGA在處理復雜應用方面更加適合。對于濾波這種重復性的任務，并行機制也能高效準確地完成。

3.2 FPGA運行和重配能力靈活

如果需要實行不同的功能，DSP需要加載不同的軟件。軟件和功能是一一對應的關系，這種操作不僅麻煩，而且對結果的影響往往是負面的。它不能有效地改變DSP系統(tǒng)中的一些因素。只有改變了硬件的結構和功能才能改變系統(tǒng)一些模塊的數(shù)量和功能。FPGA針對這個問題進行了改正，不同的配置文件可以下載到FPGA上，這樣就能快速獲得不同的硬件結構和硬件的功能。這種功能在FPGA中被稱作為系統(tǒng)結構的可重配性。就是由于這種結構可重配的靈活性，提高了FPGA的可實用性價值。

3.3 FPGA的能耗較低

高速的應用是信息系統(tǒng)中必然會遇到的狀況。對于DSP來說，應用于這樣的系統(tǒng)之中會造成高度的功能消耗，對于低速的情況，DSP的消耗和成本較低。但是在實際操作中，高速，高效能的運用是無法避免的，在這樣的條件下，DSP在低速處理中的低成本的優(yōu)點難以展現(xiàn)出來。如果將DSP繼續(xù)應用到高端的系統(tǒng)當中，不僅會增加成本，DSP的功耗與安全性可靠性的指標也會受到嚴重的影響。由于FPGA自身有著獨特的靈活性且能應用到復雜的系統(tǒng)當中，在高端高能的應用場合，F(xiàn)PGA是最好的選擇。首先，它可以解決多個DSP一起運行才能使用的系統(tǒng)，這種容納，不僅能保證系統(tǒng)的可靠性，提高集成度，同時在此過程中的成本和功耗都會大幅度的降低。

4 FPGA在DSP領域的應用

4.1 應用于音頻領域

隨著多媒體技術的快速發(fā)展，人們對自媒體提出了更高的要求。在視頻上，對視頻的分辨率，清晰度有了更高判斷標準。在圖像處理方面，不在僅僅局限于平面圖像的要求，而是希望圖像能反映內容和情感，圖像的質量能更加穩(wěn)定，能夠運用現(xiàn)代手法對圖像進行進一步的處理，對圖像中涉及的拍攝手法，對圖像中的運動軌跡以及圖像的特效處理效果燈都有了更高的期待值。為了滿足人們日益增長的精神文化的需求，只是依靠傳統(tǒng)的視頻處理芯片很難滿足這些改變。也很難創(chuàng)新的制作出新的有創(chuàng)意的作品。但是，如果使用FPGA可以解決這一問題，可以為音頻提供新的創(chuàng)意和風格。首先，F(xiàn)PGA在使用時可以幫助用戶根據(jù)自己的需求開發(fā)高性能的產(chǎn)品。其次，F(xiàn)PGA技術可以在考慮預算的前提下，開發(fā)出性能比較高的產(chǎn)品。用戶的需求是千變萬化的，F(xiàn)PGA能夠做到具體問題具體分析，借助它自身的靈活性適應市場的需求。使音頻產(chǎn)品推陳出新，做出屬于用戶需求的自主產(chǎn)權的產(chǎn)品。這不僅促進了音頻業(yè)和信號處理系統(tǒng)的發(fā)展，同時，也促進了我國文化產(chǎn)業(yè)的進步。

4.2 應用于軟件無線電領域

軟件無線電指的是擁有能夠重新配置硬件的無線設備，這種設備涉及的領域比較廣泛，在多種通信標準下都可以進行。軟件無線電之所以能被重用，與它的成本、靈活性、性能等是密切相關的。在軍事，商用等方面都發(fā)揮著重要的作用。FPGA在軟件無線電的應用主要體現(xiàn)在對基帶的處理上，它能延長系統(tǒng)，并且能夠使處理器之間的動態(tài)軟件部分能夠靈活的交換，保證系統(tǒng)從一個標準到另一個標準之間的切換。另一方面，F(xiàn)PGA和DSP兩部分不是完全獨立存在的，二者之間可以進行合作協(xié)調，這樣不僅能提高系統(tǒng)的性能，同時又能降低系統(tǒng)的投入成本，為基帶的處理提供了另一種選擇，

4.3 應用于對水聲信號的處理

對水聲信號的處理是一個復雜的過程，它所展現(xiàn)出來的圖像聲吶都是具有高分辨率的，如果想要對此進行分析，這就要求分析系統(tǒng)有著高度的對數(shù)據(jù)的吞吐能力。在傳統(tǒng)的對聲吶的處理一般采用的設備是高速信號處理器，但是為了在分析時高標準的要求，通常要使用多片DSP處理器。這個過程不僅耗時和加大了投入?，F(xiàn)在，隨著科學技術的進步和發(fā)展，F(xiàn)PGA在這方面顯示了它的獨特性，它可以通過強大的運算能力對神吶圖像和數(shù)據(jù)進行準確的分析。在和FPGA和DSP之間的相互配合的過程中，可以緩解重復的工作，同時，整體的一個性能也得到了提升。數(shù)字信號處理的辦法有很多，在水聲信號這一方面，主要采用兩種最為廣泛的方法：數(shù)字濾波和相關運算這兩種。這些方法的運用具有重要的實用價值。為水聲信號的分析增添了新的方法。

4.4 對FPGA和DSP的研究

近年來，對FPGA和DSP的研究引起了越來越多人的關注。對于我國而言，開發(fā)研究DSP的時間較早，也取得了一定的研究成果，基本上與一些發(fā)達國家的發(fā)展同步。但是，在后來興起的FPGA中，雖然我國也取得了一定的成就但是整體來看，我國的研究起步較晚，發(fā)展水平和其他國家相比還有著一定的差距。為了進一步發(fā)展FPGA，我國在一些高校設置了研究課程，加大了對這方面的教育投入，鼓勵創(chuàng)新和研究。通過這些政策的鼓勵，我國的FPGA的研究取得了更多的成果，在信號處理和系統(tǒng)發(fā)展方面都有了顯著的進步。

5 結語

由以上可見，隨著FPGA的產(chǎn)生和發(fā)展，促進了不同產(chǎn)業(yè)的進步和發(fā)展。它以高性能、高速以及自身的靈活性等優(yōu)點，在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中發(fā)揮著重要不可替代的作用。在開發(fā)的過程中，要注重數(shù)字系統(tǒng)的實用性和高效性。讓FPGA的作用發(fā)揮到最大化，帶動我國科技、文化的進步和發(fā)展。

[1]邵正途，高玉良. DDS/FPGA在信號產(chǎn)生系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2014（1）：82-84.

[2]梁慧. FPGA在機載雷達信號處理系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代雷達，2015（2）：33-35.

[3]王海娟. FPGA在雷達信號處理中的應用及誤差分析[D].西安：西安電子科技大學，2011.

Application of FPGA in signal processing system

Song Fei
（Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China）

In recent years, digital technology has got rapid development, digital signal processing has played a vital role in the information science development. It has participated in the development of radar, sonar, voice, mathematical signal, image and other fi eld. In this paper, the role of FPGA in digital signal processing system is elaborated and discussed.

FPGA; signal processing system; application research

宋飛（1981— ），男，陜西西安，碩士；研究方向：通信系統(tǒng)，數(shù)字信號處理。