FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用研究

李月月 葉秀麗 薛雯宇

數(shù)字信號處理的應(yīng)用優(yōu)勢較強，因此在當前得到了廣泛使用，其主要將采集到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，為后續(xù)的分析處理提供支持。就當前的情況來看，多種系統(tǒng)對數(shù)字信號處理的要求有所提升，使得原有的處理芯片不再適用。現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA芯片迅速發(fā)展，逐步取代原有芯片，并被大量應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域中。

1 FPGA與數(shù)字信號處理的概述

1.1 FPGA

FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）依托PAL、GAL等可編程器件的研究形成，其主要是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。對于FPGA而言，其具有極高的應(yīng)用優(yōu)勢，在使用中既能夠解決定制電路的缺陷，又可以克服原有可編程器件門電路數(shù)有限的問題。

FPGA應(yīng)用了邏輯單元陣列概念，其內(nèi)部主要包括三部分，即可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線。相比與傳統(tǒng)的邏輯電路和門陣列（包括PAL、GA或是CPLD器件等）來說，F(xiàn)PGA屬于可編程器件，因此擁有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2 數(shù)字信號處理技術(shù)

對于數(shù)字信號處理技術(shù)來說，其主要指在模擬信息（圖片、聲音、視頻等）向數(shù)字信息轉(zhuǎn)換中所應(yīng)用的技術(shù)。寬泛的來講，數(shù)字信號處理技術(shù)為數(shù)字信號處理理論的應(yīng)用實現(xiàn)技術(shù)，主要包含數(shù)字信號處理理論、硬件技術(shù)、軟件技術(shù)。在實際的使用中，該技術(shù)高度穩(wěn)定、可程控、可重復(fù)性強、抗干擾且修改簡單，因此得到了廣泛應(yīng)用。

2 基于FPGA的數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)

2.1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號處理的特點主要有運算過程相對復(fù)雜、大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對固定、數(shù)據(jù)量相對較大等等，基于此，在實踐中，普遍使用了單指令多數(shù)據(jù)流的計算方法。具體來說，就是對大量的數(shù)據(jù)使用同一種程序代碼展開反復(fù)的計算。在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，對實時性的要求更高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收與分析計算的同時展開，促使整個流程的流水化。

根據(jù)數(shù)據(jù)的輸入量與算法復(fù)雜程度的不同，對數(shù)字信號處理芯片的性能要求也存在著較大差異。以數(shù)據(jù)流控制來說，想要對信號進行高速、實時性處理，可以使用的方案包括流水處理、并行處理、RISC結(jié)構(gòu)以及陣列結(jié)構(gòu);以硬件選型來說，想要實現(xiàn)信號的高速、實時性處理，可以使用的器件或技術(shù)主要有可編程器件、專用芯片、高速器件、超并行列陣、其他EDA技術(shù)。總體來看，實時處理、大吞吐量、高速計算是當前數(shù)字信號處理系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，而引入FPGA就能夠達到上述目標。因此，F(xiàn)PGA在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 基于FPGA的FFT算法實現(xiàn)

在長時間的發(fā)展中，已經(jīng)形成了多種可以應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域的技術(shù)，且這些技術(shù)在不同應(yīng)用場景下均占據(jù)較大市場。然而，從性能的角度進行分析，在數(shù)字信號處理中單片機等信號處理單元雖然得到廣泛應(yīng)用，但是其速度依舊有待提升，與AJD等芯片相比存在較大差距[1]。

處理速度是多數(shù)應(yīng)用場景中重點追求的內(nèi)容，也是系統(tǒng)最重要的性能，而通用數(shù)字信號處理芯片難以達到高速。在實際的信號處理中引入FPGA就能夠彌補這一缺陷，具體來說，使用FPGA展開算法變成能夠獲得更高的信號處理速度，這也是當前技術(shù)條件下提升速度的最優(yōu)方案。此時，在硬件陣列的條件下應(yīng)用并行處理即可。

現(xiàn)階段，可編程器件生產(chǎn)技術(shù)不斷提升，依托FPGA芯片能夠完成多樣的復(fù)雜算法。在當前的數(shù)字信號處理中，傅里葉變換占據(jù)著核心地位。文章主要選取傅里葉變換中的FFT算法進行FPGA應(yīng)用的分析。依托FPGA實現(xiàn)FFT算法的核心在于設(shè)計蝶形處理模塊。筆者使用FLEXIOK仿真器件作為硬件平臺，保障數(shù)字信號處理實踐的高速與實時性。在FPGA芯片的支持下乘法運算得以迅速完成，為FFT算法的實現(xiàn)提供了有力支持。

該過程中，可以使用VHDL編程對高度數(shù)字信號處理乘法運算單元實施調(diào)用，以此完成蝶形運算結(jié)構(gòu)的構(gòu)建;在該蝶形處理模塊的支持下組成FFT運算級，結(jié)合反復(fù)迭代，就可以實現(xiàn)FFT算法的并行計算。另外，利用MAXPLUSII軟件可以完成FFT算法性能的有效分析，依托波形分析與邏輯分析，可以獲取該算法各項性能的參數(shù)。

2.3 FFT處理器的構(gòu)建

傅里葉變換原理表明，基數(shù)有著多種劃分方法，且基數(shù)與系統(tǒng)資源占用率呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，具體有：當基數(shù)越大時，所占用的系統(tǒng)資源也就越多，而分析速度也更快。一般情況下，均使用基2展開分解，保證處理速度與系統(tǒng)資源的分配高度平衡。在FFT算法中，運算單元也可以使用不同的分解形式，包括基4、基8、基16等，也可以使用不同分解的組合形式[2]。在本次研究中，由于必須要在計算中應(yīng)用大量的旋轉(zhuǎn)因子，所以加設(shè)了ROM存儲器，以此完成緩存操作。此時，控制單元提供算法執(zhí)行過程中所需要的所有控制信號;計算數(shù)據(jù)的緩沖由一號存儲器承擔;中間結(jié)果的暫時保存由二號存儲器承擔。依托控制器的指揮，中間數(shù)據(jù)、使能信號與地址信號均有序工作，并完成計算結(jié)果及其指示標志的輸出。

3 FPGA在數(shù)字信號處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用探究

3.1 在音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)階段，新媒體技術(shù)迅速發(fā)展，人們對自媒體的要求增高。從視頻方面來看，對視頻的清晰度以及分辨率有著更高的追求;從圖像處理方面來看，不僅要求著更高的圖像質(zhì)量以及穩(wěn)定性，還需要圖像可以直觀的反映出內(nèi)容與情感。為了實現(xiàn)這一目標，就需要對圖像展開處理，包括特效處理、添加效果燈等等。此時，若是依舊使用傳統(tǒng)的音視頻處理芯片，則難以滿足上述需要。而在這樣的數(shù)字信號處理中應(yīng)用FPGA芯片就能夠達到當前對音視頻質(zhì)量與效果的現(xiàn)實需求，完成富有創(chuàng)意的作品創(chuàng)作，賦予音視頻以新的風(fēng)格。

在FPGA的支持下，用戶可以結(jié)合自身個性化需求完成高性能產(chǎn)品的開發(fā);在預(yù)算充足的前提下，使用該芯片也能夠提升產(chǎn)品性能。就當前的情況來看，用戶對音視頻產(chǎn)品的個性化需求更高，而使用FPGA就能夠做到針對性分析，結(jié)合具體問題進行實現(xiàn)產(chǎn)品定制，促使市場中的音視頻產(chǎn)品不斷推陳出新?；诖?，明顯推動了音視頻領(lǐng)域與信號處理系統(tǒng)的升級，為我國文化產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展提供支持。

3.2 在軟件無線電領(lǐng)域的應(yīng)用

可以重新展開硬件配置的無線設(shè)備為軟件無線電，由于其能夠在多種通信標準下有效使用，因此在當前的通訊操作中，該設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。相比于其他設(shè)備來說，軟件無線電的成本更低、靈活性更強，有著極高的應(yīng)用優(yōu)勢，在商用與軍事領(lǐng)域均發(fā)揮著較大作用。而通過在其中引入FPGA，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件無線電的基帶優(yōu)化處理，達到系統(tǒng)延長的效果，提升了設(shè)備性能。同時，依托FPGA，可以進一步增強處理器之間動態(tài)軟件部分交換的靈活程度，促使系統(tǒng)能夠從一個標準更迅速、高質(zhì)量、準確的切換至另一個標準上。

需要注意的是，F(xiàn)PGA與數(shù)字信號處理并非為完全獨立的，兩者之間可以展開協(xié)同運行，推動系統(tǒng)性能顯著提升的同時，達到降低成本的效果?？傮w來說，F(xiàn)PGA為軟件無線電的基帶處理提供了新路徑。

總 結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段，原有的數(shù)字信號處理芯片無法滿足現(xiàn)實需求，推動著FPGA芯片的迅速發(fā)展。由于FPGA具有極高的應(yīng)用優(yōu)勢，因此逐被大量應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域中。相比于普通數(shù)字信號處理芯片來說，F(xiàn)PGA芯片的靈活性更強、使用性能更高，依托FPGA芯片完成多樣的復(fù)雜算法有著更高的可行性。當前，F(xiàn)PGA在音視頻領(lǐng)域、軟件無線電領(lǐng)域以及水聲信號處理中得到了深入應(yīng)用，推動了數(shù)字信號處理領(lǐng)域的技術(shù)升級。