FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

摘 要：數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，基于FPGA對數(shù)字信號進(jìn)行處理能夠提高傳統(tǒng)方法的速率和效率，在數(shù)字信號處理的多個方面體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。本文對FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和分析，首先簡要介紹了數(shù)字信號處理的目的和FPGA相關(guān)的基本理論，然后從基于FPGA對數(shù)字信號處理的特征和FPGA在處理數(shù)字信號時的具體實(shí)現(xiàn)兩個方面重點(diǎn)分析了FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用。FPGA的應(yīng)用有效提高了對數(shù)字信號進(jìn)行采集、處理和分析的能力，可顯著提高數(shù)字信號處理領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：FPGA，數(shù)字信號處理，應(yīng)用

1引言

上個世紀(jì)六十年代，數(shù)字信號處理技術(shù)開始發(fā)展起來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)逐漸成為一種新興學(xué)科。近年來，數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，各類應(yīng)用或系統(tǒng)對數(shù)字信號處理技術(shù)的要求也逐漸提高。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號處理中，通常利用DSP芯片對信號進(jìn)行分析和處理，但是這種方式存在速率較低、實(shí)時性較低的問題，但是面對新的應(yīng)用需求，DSP技術(shù)已經(jīng)難以滿足[1]。在此背景下，F(xiàn)PGA芯片應(yīng)運(yùn)而生，在市場需求的不斷擴(kuò)大和驅(qū)動下得到了飛速發(fā)展，截止目前，F(xiàn)PGA芯片已經(jīng)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，在市場份額中占據(jù)的也較大。本文對FPGA芯片在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和分析，期望能為該領(lǐng)域的研究者提供參考和借鑒。

2數(shù)字信號處理和FPGA理論分析

數(shù)字信號處理技術(shù)的基本原理是利用多種技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等對科學(xué)進(jìn)行應(yīng)用，將信號進(jìn)行數(shù)字化處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行有效的采集以及后續(xù)的分析和應(yīng)用，并最終尋找到能夠在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用的質(zhì)量較好的信號形式[2]。數(shù)字信號處理技術(shù)相比于傳統(tǒng)的信號處理方式具有諸多優(yōu)勢，包括信號的預(yù)見性、穩(wěn)定性以及適用性等，且這種技術(shù)處理所需花費(fèi)的代價較低，成本可控。當(dāng)前，隨著各類信息技術(shù)的不斷提高，數(shù)字信號處理過程中存在數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算復(fù)雜等特點(diǎn)。同時，數(shù)字信號處理技術(shù)在應(yīng)用過程中通常對數(shù)據(jù)的處理速率和實(shí)時性要求較高。因此，高速計算、實(shí)時處理等成為了數(shù)字信號處理領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，這也為數(shù)字信號處理提出了更高要求。而FPGA芯片的出現(xiàn)能夠有效滿足這類需求，目前已經(jīng)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

FPGA芯片是近年來較為流行的信號處理芯片，可以提供給用戶進(jìn)行科學(xué)化的編程，將數(shù)字電路中所需的邏輯功能，以函數(shù)或布爾表達(dá)式的形式進(jìn)行表示，進(jìn)而使得具備邏輯功能的數(shù)字集成電路能夠真正投入應(yīng)用[3]。在FPGA的各類應(yīng)用中，F(xiàn)PGA芯片的諸多優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮了重要作用，包括較高的可靠性和集成性等，這些特點(diǎn)使得FPGA芯片能夠在實(shí)際應(yīng)用中采用并行或者串行的方式進(jìn)行工作，而在時鐘延遲方面，F(xiàn)PGA能夠做到納秒級的時鐘精度。

3FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用分析

FPGA已經(jīng)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，與傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理方式相比具有明顯優(yōu)勢或顯著特點(diǎn)。下面本文從基于FPGA對數(shù)字信號處理的特征和FPGA在處理數(shù)字信號時的具體實(shí)現(xiàn)兩個方面進(jìn)行具體闡述。

3.1 基于FPGA對數(shù)字信號處理的特征

FPGA目前在數(shù)字信號處理過程中發(fā)揮了重要作用，在利用FPGA對數(shù)字信號進(jìn)行處理時，會從多個方面體現(xiàn)出不同特點(diǎn)，具體如下：

（1）在FPGA的早期應(yīng)用中，F(xiàn)PGA芯片主要利用供應(yīng)商提供的對應(yīng)軟件，在實(shí)際工作中對電路進(jìn)行科學(xué)且專業(yè)的設(shè)計，這種方式能夠設(shè)計出不同門級的產(chǎn)品。與其他芯片相比，F(xiàn)PGS芯片在性能處理速度方面具有明顯優(yōu)勢，且在實(shí)際的應(yīng)用中，不管是在軟件設(shè)計質(zhì)量方面還是在系統(tǒng)的運(yùn)算方面，都體現(xiàn)出了較高的應(yīng)用水平[4]。但是，在于基于硬件的信號處理系統(tǒng)相比，這種方式也存在一定缺陷，如在對信號進(jìn)行處理控制時速度偏低。存在這種問題的重要原因是，很多配套軟件在執(zhí)行命令時是按照一定的命令進(jìn)行的，這樣會使得相應(yīng)的命令的執(zhí)行、運(yùn)算的控制以及各種運(yùn)算步驟的迭代會存在可優(yōu)化的空間。

（2）FPGA的應(yīng)用極大提高了現(xiàn)有數(shù)字信號采集的質(zhì)量和效率，近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，基于FPGA的應(yīng)用中，狀態(tài)機(jī)能夠以另外一種方式對A/D信號進(jìn)行采集，使得信號采集在質(zhì)量和效率方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

（3）FPGA在信號處理中的應(yīng)用能夠使得信號處理的速率和實(shí)時性得到很大提高。FPGA芯片的應(yīng)用基本能夠取代原有基于DSP芯片的信號處理，且基于FPGA芯片能夠?qū)F(xiàn)有各種資源進(jìn)行整合，將各種資源之間的協(xié)調(diào)能夠進(jìn)行有效提升。

3.2 FPGA在處理數(shù)字信號時的具體實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理領(lǐng)域，通常利用DSP芯片完成相應(yīng)工作，但是這種工作方式存在一定的問題和缺陷。與DSP相比，F(xiàn)PGA自身具備的諸多優(yōu)勢能夠明顯彌補(bǔ)或改善DSP存在的問題，可以明顯提高對信號處理的水平和效率。具體而言，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是FPGA芯片在實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài)更優(yōu)。FPGA芯片應(yīng)用時，通常需要對快速加法器或者乘法器進(jìn)行合理高效設(shè)計，這樣可有效提高數(shù)據(jù)運(yùn)算的速率。

二是FPGA具備對大規(guī)模集成技術(shù)的綜合應(yīng)用能力，這種技術(shù)的應(yīng)用使得基于FPGA對信號進(jìn)行處理時，可以在對信號進(jìn)行匹配濾波時對數(shù)字脈壓數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，從而減少脈沖壓縮系統(tǒng)所占的系統(tǒng)資源，通過這種方式的處理，可以在穩(wěn)定性和安全性兩個主要方面對系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行提高[5]。

三是FPGA具備優(yōu)越的并行計算性能，傳統(tǒng)的基于DSP的數(shù)字信號處理方式存在速率較低的問題，而FPGA的并行計算能力能夠?qū)@種缺陷進(jìn)行有效彌補(bǔ)，尤其在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時代，面對海量數(shù)據(jù)低速的處理能夠會導(dǎo)致應(yīng)用效果較差，可FPGA的高速處理性能面對這種應(yīng)用時能夠發(fā)揮極大作用。

四是FPGA在現(xiàn)場編輯器中的高效實(shí)用，能夠使FFT算法得到實(shí)現(xiàn)。通過對FPGA芯片的應(yīng)用，可以采用語言性描述來對硬件進(jìn)行調(diào)用，且能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的編程處理，實(shí)現(xiàn)硬件資源對數(shù)字信號的高效處理。

4結(jié)論

當(dāng)前，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)字信號處理中的廣泛應(yīng)用顯著提高了信號處理的效率和質(zhì)量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)基于DSP對數(shù)字信號進(jìn)行處理存在的各種缺陷。本文重點(diǎn)對FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，首先簡要介紹了數(shù)字信號處理的目的和FPGA相關(guān)的基本理論，然后重點(diǎn)分析了FPGA在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用，主要從基于FPGA對數(shù)字信號處理的特征和FPGA在處理數(shù)字信號時的具體實(shí)現(xiàn)兩個方面進(jìn)行闡述。通過本文的研究和分析，可以增強(qiáng)對基于FPGA對數(shù)字信號進(jìn)行處理的認(rèn)識。從以上研究可以看出，F(xiàn)PGA的應(yīng)用有效提高了對數(shù)字信號進(jìn)行采集、處理和分析的能力，這種處理能力能夠顯著提高數(shù)字信號處理領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價值，也將進(jìn)一步擴(kuò)大FPGA的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]孫文莉， 王海濤， 蔡磊. 基于FPGA與DSP的發(fā)動機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制， 2019（6）：186-189.

[2]胡鐵喬， 李恒昶. 基于FPGA+DSP的ADS-B欺騙干擾檢測優(yōu)化[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報， 2019（5）：1-4.

[3]程然， 馬柯. 一種DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)互聯(lián)及同步策略[J]. 電力電子技術(shù)， 2019（6）：35-38.

作者簡介：銀江（1976.4.4），男，漢，內(nèi)蒙古，四川九洲電器集團(tuán)，工程師，電子工程。