關于FPGA在數(shù)字信號處理中的應用研究

摘要：數(shù)字信號處理是將信號轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式的一種方式，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)保障。在新時代背景下，F(xiàn)PGA芯片在信號處理領域上具有較大優(yōu)勢，逐漸替代傳統(tǒng)芯片。本文闡述了FPGA算法結構以及運算方式，并且對FPGA在數(shù)字信號處理中的應用進行分析。

關鍵詞：FPGA;數(shù)字信號處理;應用研究

前言：數(shù)字信號是在1960年-1969年發(fā)展起來的，隨著信息技術快速發(fā)展，一定程度上促使數(shù)字信號處理得到較廣泛的應用范圍，目前，對數(shù)字信號處理性能要求較高，傳統(tǒng)信號處理一般采用DSP芯片進行處理，但是這種芯片已經(jīng)無法適應當今快節(jié)奏時代的發(fā)展需求，由此FPGA應市場需求被研發(fā)出來，并且取得了較高的成就，在市場上占據(jù)重要地位，具有穩(wěn)定的發(fā)展前景。

一、FPGA算法概述

FPGA是在PAL、GAL等可編程器件的基礎上形成的，主要用于集成電路中，屬于一種半定制電路。就FPGA來說，在使用過程中不僅可以解決電路問題，同時也能夠緩解現(xiàn)有編輯器件電路有限的缺陷。FPGA充分運用了邏輯單元陣列理念，與傳統(tǒng)邏輯電路相比具有較高的優(yōu)勢。

（一）數(shù)字信號處理系統(tǒng)組成結構

數(shù)字信號處理具有一定的優(yōu)勢，比如運算過程復雜、數(shù)據(jù)量大、具有固定的數(shù)據(jù)結構等。為此，通常采用單指令對數(shù)據(jù)流方式進行計算，數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)中最大的一個優(yōu)勢就是實時性強，可以同時完成數(shù)據(jù)的接受和計算工作，算法不同其復發(fā)度和輸入數(shù)據(jù)也不同，同時DSP芯片的功能也不相同。就數(shù)據(jù)控制而言，完成高速實時信號處理方案主要有四種，分別是RISC結構、并行處理、流水處理、陣列處理[1]。數(shù)字信號處理系統(tǒng)對硬件選擇具有一定的要求，硬件選型主要有先進的EDA技術、專用芯片、高速器件、可編程器件等?，F(xiàn)階段，信號處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢朝著高速運算、吞吐量大、實時處理方向發(fā)展，而FPGA誕生能有滿足這些要求，這也是FPGA能夠被廣泛的應用在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的一個原因。

（二）FPGA的計算方式

現(xiàn)階段，能夠處理數(shù)字信號的技術有很多，針對不同領域都有一定的發(fā)展空間，其中DSP和單片機具有較廣泛的應用市場，但是就性能而言，DSP與單片機在處理速度上相對于AJD具有一定的差距。在一些領域中對系統(tǒng)處理速度要求較高，但是DSP芯片處理效果并不理想，為此，最佳的解決方式是采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)編程，基于硬件列陣之上，充分運用并行處理技術進行數(shù)字信號實時處理[2]。在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中傅里葉變換FFT具有重要作用，通過FPGA來實現(xiàn)FFT算法主要的工作內(nèi)容就是蝶形處理單元設計，常規(guī)的FFT算法采用了FLRXIOK仿真器件來實現(xiàn)數(shù)字信號處理，此仿真器件設計的結構能夠滿足數(shù)字信號處理高速的需求，由于這種仿真器件內(nèi)部是結構具有較強大的內(nèi)核、高速等性能，F(xiàn)PGA芯片高速運算充分滿足FFT算法需求。通過VHDL編程能夠有效調(diào)動DSP計算單元，使其形成蝶形計算結構，F(xiàn)FT運算方式正是由多個蝶形單元組成的，通過對個蝶形運算反復迭代即可實現(xiàn)FFT算法。

二、FPGA在數(shù)字信號處理中的應用分析

（一）音視頻領域中FPGA芯片的應用

新時代背景下，新媒體技術得到了快速發(fā)展，人們對媒體技術的要求越來越高。新媒體技術不僅可以展示出圖片和視頻，同時也提出了較高的要求。就視頻來說，對清晰度及分辨率都有著較高要求，于圖像而言，不僅對圖像質(zhì)量有較高要求，同時也需要圖像具備較高的穩(wěn)定性，并且圖像顯示的內(nèi)容還需要具備直觀反映出情感的作用。為了能夠很好的完成這個目標，必然需要對圖像進行特殊處理，包括視頻清楚度處理、效果燈處理、特效處理等，傳統(tǒng)音視頻處理方式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代發(fā)展需求，而FPGA芯片技術處理音視頻效果和質(zhì)量，剛好能夠滿足音視頻的這個需求，可以實現(xiàn)更多創(chuàng)新作品制作，為音視頻制作提供很多的效果和風格。基于FPGA芯片上，用戶可以根據(jù)自身需求制作更多個性化的高性能產(chǎn)品，F(xiàn)PGA芯片也具備提升產(chǎn)品性能的作用[3]?，F(xiàn)如今，用戶對個性化音視頻制作要求越來越高，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)信號處理中具有較強的針對分析功能，可以根據(jù)具體問題、場景、需求對產(chǎn)品進行處理，進而不斷創(chuàng)新音視頻，推進市場產(chǎn)品快速更新。在此基礎上，F(xiàn)PGA芯片對音視頻領域發(fā)展起到促進作用，同時也促使信號處理系統(tǒng)進一步提升，促進文化產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

（二）軟件無線電領域中FPGA芯片應用

FPGA芯片在數(shù)據(jù)信號處理中能夠?qū)τ布M行重新配置，使其無線設備成為軟件無線電，F(xiàn)PGA芯片可以在多中通信下使用，為此目前通信中FPGA芯片被廣泛的應用。相對于其他設備而言，軟件無線電具有較高靈活性和較低成本等的優(yōu)勢，具有極高的商用價值。通過FPGA芯片可以對軟件無線電系帶進行改進，因此來實現(xiàn)延長系統(tǒng)的作用，進而實現(xiàn)提高設備性能的目的。并且FPGA芯片在數(shù)據(jù)信號處理中可以進一步強化處理器之間軟件交換的靈活性，保證系統(tǒng)在一個標準上能夠準確、快速的朝著另一個標準進行切換，同時確保轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)信號質(zhì)量。其中還應當重視FPGA處理技術與數(shù)字信號處理技術之間的聯(lián)系，其二者之間可以協(xié)同運行，在提升信號處理系統(tǒng)的基礎上起到降低數(shù)據(jù)信號處理成本的作用，也就是說，F(xiàn)PGA技術開創(chuàng)了軟件無線電基帶發(fā)展新途徑。

（三）水聲信號中FPGA處理技術的應用

水聲信號處理的復雜性和難度都比較高，在處理水聲信號過程中，對聲吶圖像分辨率要求較高，為此要想充分展示出水聲信號，就需要保障信號處理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)性能以及圖像顯示性能良好。傳統(tǒng)聲吶圖像處理過程中，一般使用高度信號處理器，而為了能夠達到標準要求，通常采用多片處理器并行的方式進行信號處理，采用這種方式處理數(shù)據(jù)信號整個過程需要大量的時間和成本，極不利于企業(yè)發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片能夠很好解決這個問題[4]。FPGA具備強大的運算功能，對聲吶數(shù)據(jù)信號可以進行精準分析，充分展示出FPGA芯片的獨特性。在數(shù)據(jù)信號處理中應用FPGA芯片能夠有效降低重復操作的問題，全面提高信號處理效果。此外，在對水聲信號進行處理時，可以采用的數(shù)字信號處理技術方法較多，經(jīng)常使用的有相關運算和數(shù)字濾波兩種，為水聲信號處理方式提供更多處理途徑，在未來社會發(fā)展中，F(xiàn)PGA芯片具有良好的發(fā)展前景。

結論：綜上所述，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信號處理芯片已經(jīng)不能夠滿足當今需求，促使FPGA芯片發(fā)展迅速，F(xiàn)PGA在處理數(shù)據(jù)信號方面具有極高的應用優(yōu)勢，為此廣泛的使用。相對于傳統(tǒng)信號處理芯片而言，F(xiàn)PGA芯片具備較高的使用性和靈活性，可以完成更為復雜的運算方式。現(xiàn)階段FPGA芯片在音視頻、軟件無線電、水聲信號處理中應用比較廣泛，一定程度上推進數(shù)字信號處理技術升級進程。

參考文獻：

[1]陳元. 基于FPGA的大功率電源數(shù)據(jù)采集與信號處理設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2021.

[2]宿凌超. 基于FPGA的數(shù)字化多道脈沖幅度分析器關鍵技術研究[D].西南科技大學，2021.

[3]孫靖舒.基于DSP和FPGA的通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術，2020，16（20）：221-222.

[4]趙曉濤. 基于FPGA的激光導引頭數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計與仿真[D].鄭州大學，2020.

作者簡介：楊橋，性別：男，1986年5月出生，籍貫：四川省綿陽市學歷：本科職稱：邏輯工程師，研究方向：FPGA在數(shù)據(jù)信號處理中的應用

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