FPGA在数字信号处理中的应用研究

李月月 叶秀丽 薛雯宇

数字信号处理的应用优势较强，因此在当前得到了广泛使用，其主要将采集到的信号转换为数字形式，为后续的分析处理提供支持。就当前的情况来看，多种系统对数字信号处理的要求有所提升，使得原有的处理芯片不再适用。现阶段，FPGA芯片迅速发展，逐步取代原有芯片，并被大量应用于数字信号处理领域中。

1 FPGA与数字信号处理的概述

1.1 FPGA

FPGA（现场可编程逻辑门阵列）依托PAL、GAL等可编程器件的研究形成，其主要是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的。对于FPGA而言，其具有极高的应用优势，在使用中既能够解决定制电路的缺陷，又可以克服原有可编程器件门电路数有限的问题。

FPGA应用了逻辑单元阵列概念，其内部主要包括三部分，即可配置邏辑模块、输入输出模块和内部连线。相比与传统的逻辑电路和门阵列（包括PAL、GA或是CPLD器件等）来说，FPGA属于可编程器件，因此拥有不同的内部结构。

1.2 数字信号处理技术

对于数字信号处理技术来说，其主要指在模拟信息（图片、声音、视频等）向数字信息转换中所应用的技术。宽泛的来讲，数字信号处理技术为数字信号处理理论的应用实现技术，主要包含数字信号处理理论、硬件技术、软件技术。在实际的使用中，该技术高度稳定、可程控、可重复性强、抗干扰且修改简单，因此得到了广泛应用。

2 基于FPGA的数字信号处理算法的实现

2.1 数字信号处理系统的结构

数字信号处理的特点主要有运算过程相对复杂、大数据结构相对固定、数据量相对较大等等，基于此，在实践中，普遍使用了单指令多数据流的计算方法。具体来说，就是对大量的数据使用同一种程序代码展开反复的计算。在数字信号处理系统中，对实时性的要求更高，能够实现数据接收与分析计算的同时展开，促使整个流程的流水化。

根据数据的输入量与算法复杂程度的不同，对数字信号处理芯片的性能要求也存在着较大差异。以数据流控制来说，想要对信号进行高速、实时性处理，可以使用的方案包括流水处理、并行处理、RISC结构以及阵列结构;以硬件选型来说，想要实现信号的高速、实时性处理，可以使用的器件或技术主要有可编程器件、专用芯片、高速器件、超并行列阵、其他EDA技术。总体来看，实时处理、大吞吐量、高速计算是当前数字信号处理系统的主要发展趋势，而引入FPGA就能够达到上述目标。因此，FPGA在数字信号处理领域得到了广泛应用。

2.2 基于FPGA的FFT算法实现

在长时间的发展中，已经形成了多种可以应用于数字信号处理领域的技术，且这些技术在不同应用场景下均占据较大市场。然而，从性能的角度进行分析，在数字信号处理中单片机等信号处理单元虽然得到广泛应用，但是其速度依旧有待提升，与AJD等芯片相比存在较大差距[1]。

处理速度是多数应用场景中重点追求的内容，也是系统最重要的性能，而通用数字信号处理芯片难以达到高速。在实际的信号处理中引入FPGA就能够弥补这一缺陷，具体来说，使用FPGA展开算法变成能够获得更高的信号处理速度，这也是当前技术条件下提升速度的最优方案。此时，在硬件阵列的条件下应用并行处理即可。

现阶段，可编程器件生产技术不断提升，依托FPGA芯片能够完成多样的复杂算法。在当前的数字信号处理中，傅里叶变换占据着核心地位。文章主要选取傅里叶变换中的FFT算法进行FPGA应用的分析。依托FPGA实现FFT算法的核心在于设计蝶形处理模块。笔者使用FLEXIOK仿真器件作为硬件平台，保障数字信号处理实践的高速与实时性。在FPGA芯片的支持下乘法运算得以迅速完成，为FFT算法的实现提供了有力支持。

该过程中，可以使用VHDL编程对高度数字信号处理乘法运算单元实施调用，以此完成蝶形运算结构的构建;在该蝶形处理模块的支持下组成FFT运算级，结合反复迭代，就可以实现FFT算法的并行计算。另外，利用MAXPLUSII软件可以完成FFT算法性能的有效分析，依托波形分析与逻辑分析，可以获取该算法各项性能的参数。

2.3 FFT处理器的构建

傅里叶变换原理表明，基数有着多种划分方法，且基数与系统资源占用率呈现出正比例的关系，具体有：当基数越大时，所占用的系统资源也就越多，而分析速度也更快。一般情况下，均使用基2展开分解，保证处理速度与系统资源的分配高度平衡。在FFT算法中，运算单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组合形式[2]。在本次研究中，由于必须要在计算中应用大量的旋转因子，所以加设了ROM存储器，以此完成缓存操作。此时，控制单元提供算法执行过程中所需要的所有控制信号;计算数据的缓冲由一号存储器承担;中间结果的暂时保存由二号存储器承担。依托控制器的指挥，中间数据、使能信号与地址信号均有序工作，并完成计算结果及其指示标志的输出。

3 FPGA在数字信号处理领域的具体应用探究

3.1 在音视频领域的应用

现阶段，新媒体技术迅速发展，人们对自媒体的要求增高。从视频方面来看，对视频的清晰度以及分辨率有着更高的追求;从图像处理方面来看，不仅要求着更高的图像质量以及稳定性，还需要图像可以直观的反映出内容与情感。为了实现这一目标，就需要对图像展开处理，包括特效处理、添加效果灯等等。此时，若是依旧使用传统的音视频处理芯片，则难以满足上述需要。而在这样的数字信号处理中应用FPGA芯片就能够达到当前对音视频质量与效果的现实需求，完成富有创意的作品创作，赋予音视频以新的风格。

在FPGA的支持下，用户可以结合自身个性化需求完成高性能产品的开发;在预算充足的前提下，使用该芯片也能够提升产品性能。就当前的情况来看，用户对音视频产品的个性化需求更高，而使用FPGA就能够做到针对性分析，结合具体问题进行实现产品定制，促使市场中的音视频产品不断推陈出新。基于此，明显推动了音视频领域与信号处理系统的升级，为我国文化产业的更好发展提供支持。

3.2 在软件无线电领域的应用

可以重新展开硬件配置的无线设备为软件无线电，由于其能够在多种通信标准下有效使用，因此在当前的通讯操作中，该设备得到了广泛应用。相比于其他设备来说，软件无线电的成本更低、灵活性更强，有着极高的应用优势，在商用与军事领域均发挥着较大作用。而通过在其中引入FPGA，能够实现软件无线电的基带优化处理，达到系统延长的效果，提升了设备性能。同时，依托FPGA，可以进一步增强处理器之间动态软件部分交换的灵活程度，促使系统能够从一个标准更迅速、高质量、准确的切换至另一个标准上。

需要注意的是，FPGA与数字信号处理并非为完全独立的，两者之间可以展开协同运行，推动系统性能显著提升的同时，达到降低成本的效果。总体来说，FPGA为软件无线电的基带处理提供了新路径。

总 结

综上所述，现阶段，原有的数字信号处理芯片无法满足现实需求，推动着FPGA芯片的迅速发展。由于FPGA具有极高的应用优势，因此逐被大量应用于数字信号处理领域中。相比于普通数字信号处理芯片来说，FPGA芯片的灵活性更强、使用性能更高，依托FPGA芯片完成多样的复杂算法有着更高的可行性。当前，FPGA在音视频领域、软件无线电领域以及水声信号处理中得到了深入应用，推动了数字信号处理领域的技术升级。