宋 飛

（西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077）

FPGA在信號處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋 飛

（西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077）

近年來，數(shù)字科學(xué)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理在信息科學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。雷達(dá)、聲吶、語音、圖像的等領(lǐng)域中都有數(shù)學(xué)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(jìn)行了詳細(xì)的闡述和探討。

FPGA；信號處理系統(tǒng)；應(yīng)用研究

數(shù)字信號處理出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，也發(fā)展于20世紀(jì)70年代。計算機(jī)學(xué)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(xué)科。數(shù)字信號處理以它特有的優(yōu)勢，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。它是通過對計算機(jī)的利用，將采集到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的形式，然后對這種轉(zhuǎn)換后的形式進(jìn)行分析處理。

1 數(shù)字信號的優(yōu)點(diǎn)及其作用

1.1 數(shù)字信號獨(dú)特的穩(wěn)定性

提起數(shù)字信號，就會想到與之相對應(yīng)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(dǎo)致模擬信號在使用過程中會出現(xiàn)參數(shù)不準(zhǔn)確的情況，給生產(chǎn)生活造成嚴(yán)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(yùn)行的準(zhǔn)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(jié)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(jié)果。數(shù)學(xué)信號系統(tǒng)對結(jié)果的分析是直接快速的。數(shù)字信號系統(tǒng)在完成一項(xiàng)操作后，可以借助一些工具和方式將結(jié)果直接展現(xiàn)出來。同時，直接展現(xiàn)出來的結(jié)果有著高度的精確度，與最終應(yīng)用到實(shí)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(fù)雜的過程，需要專業(yè)人員進(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展。不僅適應(yīng)力強(qiáng)，能滿足多個領(lǐng)域的需求，更是在操作方面有了突破。它的設(shè)計結(jié)果較簡單直接，靈活性強(qiáng)。當(dāng)這一設(shè)計不是擁有某一應(yīng)用時，可以在短時間內(nèi)迅速進(jìn)行調(diào)整，也可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)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(shí)是增加了投入的成本。數(shù)字信號系統(tǒng)的運(yùn)行一般都是由大規(guī)模的集成電路來實(shí)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(dú)特的優(yōu)勢被應(yīng)用于很多領(lǐng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的要求，它對結(jié)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(zhǔn)確性導(dǎo)致了該處理器實(shí)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(diǎn)只局限于實(shí)驗(yàn)室，在數(shù)字音響、機(jī)器人、多媒體技術(shù)等方面的應(yīng)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(yīng)用于信號處理系統(tǒng)的時間晚于DSP處理器的運(yùn)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(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，最終FPGA在成本和性能上都有了質(zhì)的突破和改變，現(xiàn)在已經(jīng)成為系統(tǒng)至關(guān)重要的核心部分。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對技術(shù)提出了更高的要求，需要進(jìn)行大量復(fù)雜的處理。這種大量的需求，促進(jìn)了FPGA的市場發(fā)展?，F(xiàn)代科技的快速進(jìn)步，納米技術(shù)工藝成了科學(xué)界廣泛研究的領(lǐng)域，納米技術(shù)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(qiáng)

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

3.2 FPGA運(yùn)行和重配能力靈活

如果需要實(shí)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(yīng)的關(guān)系，這種操作不僅麻煩，而且對結(jié)果的影響往往是負(fù)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)和硬件的功能。這種功能在FPGA中被稱作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可重配性。就是由于這種結(jié)構(gòu)可重配的靈活性，提高了FPGA的可實(shí)用性價值。

3.3 FPGA的能耗較低

高速的應(yīng)用是信息系統(tǒng)中必然會遇到的狀況。對于DSP來說，應(yīng)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(shí)際操作中，高速，高效能的運(yùn)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(diǎn)難以展現(xiàn)出來。如果將DSP繼續(xù)應(yīng)用到高端的系統(tǒng)當(dāng)中，不僅會增加成本，DSP的功耗與安全性可靠性的指標(biāo)也會受到嚴(yán)重的影響。由于FPGA自身有著獨(dú)特的靈活性且能應(yīng)用到復(fù)雜的系統(tǒng)當(dāng)中，在高端高能的應(yīng)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(yùn)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(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用于音頻領(lǐng)域

隨著多媒體技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)容和情感，圖像的質(zhì)量能更加穩(wěn)定，能夠運(yùn)用現(xiàn)代手法對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理，對圖像中涉及的拍攝手法，對圖像中的運(yùn)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?nèi)找嬖鲩L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(fēng)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(shù)可以在考慮預(yù)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?nèi)f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(yīng)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(quán)的產(chǎn)品。這不僅促進(jìn)了音頻業(yè)和信號處理系統(tǒng)的發(fā)展，同時，也促進(jìn)了我國文化產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

4.2 應(yīng)用于軟件無線電領(lǐng)域

軟件無線電指的是擁有能夠重新配置硬件的無線設(shè)備，這種設(shè)備涉及的領(lǐng)域比較廣泛，在多種通信標(biāo)準(zhǔn)下都可以進(jìn)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(guān)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)到另一個標(biāo)準(zhǔn)之間的切換。另一方面，F(xiàn)PGA和DSP兩部分不是完全獨(dú)立存在的，二者之間可以進(jìn)行合作協(xié)調(diào)，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(yīng)用于對水聲信號的處理

對水聲信號的處理是一個復(fù)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(jìn)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(shè)備是高速信號處理器，但是為了在分析時高標(biāo)準(zhǔn)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，F(xiàn)PGA在這方面顯示了它的獨(dú)特性，它可以通過強(qiáng)大的運(yùn)算能力對神吶圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)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(fù)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(guān)運(yùn)算這兩種。這些方法的運(yùn)用具有重要的實(shí)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(guān)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(dá)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(jìn)一步發(fā)展FPGA，我國在一些高校設(shè)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(jìn)步。

5 結(jié)語

由以上可見，隨著FPGA的產(chǎn)生和發(fā)展，促進(jìn)了不同產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。它以高性能、高速以及自身的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(jìn)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(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（1）：82-84.

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

[3]王海娟. FPGA在雷達(dá)信號處理中的應(yīng)用及誤差分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，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。