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基于FPGA数字信号处理.doc 57页
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随着电子技术和集成电路技术的飞速发展，数字信号处理已广泛应用于语音、图像处理，通信和多媒体等领域中。傅立叶变换（DFT）作为其数字信号处理中的基本运算，发挥着重要作用。特别是快速傅立叶变换（FFT）算法的提出，减少了当N很大的时候DFT的运算量，使得数字信号处理的实现和应用变得更加容易，因此对FFT算法及其实现方法的研究具有很强的理论和现实意义，且实际价值不可估量。
本文主要探讨了基于FPGA数字信号处理的实现。首先详细阐述了数字信号处理的理论基础，重点讨论了傅立叶变换算法原理，由于快速傅立叶变换算法在实际中得到了广泛的应用，本文给出了基-2 FFT原理、讨论了按时间抽取FFT算法的特点。本论文对硬件描述语言的描述方法和风格做了一定的探讨，介绍了硬件描述语言的开发环境MAXPLUSII。在此基础上，本论文详细阐述了数字集成系统的高层次设计方法，讨论了数字系统设计层次的划分和数字系统的自顶向下的设计方法，探讨了数字集成系统的系统级设计和寄存器传输级设计，描述了数字集成系统的高层次综合方法。最后本文描述了数字信号处理系统结构的实现方法，指出常见的高速、实时信号处理系统的四种结构：由于FFT算法在数字信号处理中占有重要的地位，所以本文提出了用FPGA实现FFT的一种设计思想，给出了总体实现框图:重点设计实现了FFT算法中的蝶形处理单元，采用了一种高效乘法器算法设计实现了蝶形处理单元中的旋转因子乘法器，从而提高了蝶形处理器的运算速度，降低了运算复杂度。
数字信号处理；VHDL语言；FPGA；FFT算法Abstract
With the rapid development of electronic and integrate circuit technology,digital signal processing has been widely applied in various field, like speechingand graphing processing, communication, multimedia. DFT plays an important part in digital signal processing as a basic calculation. Especially, FFT algorithmreduces the calculation quantity when N is a little great, which makes it much easier for implement and application. It is strongly theory and real signification to research on the FFT algorithm and its method for design and its value cannot be computed.
The paper mainly probes into the realization of digital signal processing based on FPGA.At first the fundamental theory of digital signal processing and the DFT algorithm are expounds, then radix-2 FFT and the characteristic of DIT FFT are discussed.In this paper,the description method and style of hardware description language and its development environment MAX+PLUSII are detailed. On the basis of that,the high level design method of integrated digital system and the partition of disign level of digital system are discussed, the top-down design strategy and the high level synthesis method of digital system are also detailed. After doing that, the paper points out the universal architectures of the high-speed real-time signal processing system and d
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FPGA在数字信号处理中的应用与研究
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您所在的位置：&&&&&&其他&&最新FPGA芯片功能介绍
　　多年以来，在ASSP、ASIC、DSP、FPGA等芯片的选择问题上，高端通信系统设计师总面临诸多棘手而复杂的难题。虽然这些芯片技术在价格与性能方面各有优劣，但是FPGA供应商一直宣称：与复杂且昂贵的ASIC相比，它们提供的产品在多个方面都更胜一筹，例如具有更快的产品上市速度，以及更多的设计灵活性。然而截至目前，在与DSP的竞争中，人们却普遍认为，FPGA在性价比方面的表现远不如DSP。不过，技术咨询公司Berkeley Design Technology（BDTI）一项最新但是具有争议性的基准测试研究结果显示，在多个意义重大的DSP应用中，FPGA的性价比优势可能超越了独立DSP。“特别地，在诸如高端通信基础设施等包含大量并行运算、且对性能要求极高的应用中，FPGA较独立DSP更合适。”BDTI创始人兼总裁Jeff Bier表示，“FPGA将在DSP应用中扮演越来越重要的角色。”
　　为什么会用FPGA做DSP？Xilinx中国区运营总经理吴晓东从DSP的概念上进行了分析：DSP表示数字信号处理器，也可以表示为数字信号处理―并不代表某一种芯片。实际上，数字信号处理有很多种不同的解决方法，可以用普通的数字信号处理器、MCU（微控制器）等实现，同样，FPGA也可以做数字信号处理。当数字信号处理速度不断提高时，FPGA的应用日益凸显。即FPGA for DSP与DSP互为补充。
　　Altera亚太区市场渠道工程师王冬刚先生更进一步，甚至乐观地预测，两者不仅互为补充，FPGA可能会对当前的高端DSP形成竞争。他提出：传统DSP正在面临性能、功耗和面市时间的挑战，特别是以下应用：下一代无线通信系统，高端消费类电子，多通道视频系统。用FPGA实现DSP有两大趋势：其一，作为传统DSP协处理，满足系统设备对DSP超高性能的要求；其二，直接取代传统DSP，满足系统对功耗，成本和面市时间的超额要求。
图1 不断发展的DSP处理需求
　　FPGA做数字处理的特点是什么？对于普通的DSP，数字信号处理主要用一个单元，传统的DSP处理器是一个高性能的数字处理器，里面包括一个高性能的单元可以运行到几个GHz的速度，但是它仅仅是一个单元，当你做比较复杂的运算就可能来回循环几百次才可以做完这个运算（图2下），因此它的速度反而并不很快。
图2 为何FPGA用于DSP
　　FPGA是一个天生的并行处理结构，FPGA里包含了有几百个单元，例如Xilinx Virtex-5 SXT是550MHz，但可以在一个单元之内迅速把这个复杂的运算一次完成（图2上），所以FPGA的性能实际上是远远高于传统的DSP（图3）。
图3& DSP性能差距
　　根据令人信服的独立第三方benchmark表明： Altera的器件具有10x/美元的DSP性能。应用FPGA协处理器的系统架
　　构可以卸载传统DSP的工作负载，并且有效执行复杂的数学计算算法，提升DSP系统级效能。
　　那么，用于DSP（数字信号处理）功能的FGPA与传统的DSP（数字信号处理器）之间是什么关系？FPGA厂商认为：传统的DSP是可编程的DSP，实际上是做信号处理理想的方案；但是随着目前运算的越来越复杂，标准的变化，对于高清、多通道、实时要求越来越高，所以在应用他们方法处理过程中有一个性能空白的地方，而这个地方越来越多的用户在用FPGA实施处理，所以可以认为FPGA和DSP是互为补充的，尤其体现在逻辑的复用和合并方面。
　　逻辑的复用和合并需要新的外设和不同带宽总线实现的时候，这时用FPGA实现数字信号处理给工程师很大的灵活性，同时FPGA并行处理的能力强大，可帮助DSP做很多性能加速，以解决超负载的问题。这方面，FPGA厂商与TI有一种共识，双方在很多方面是互为补充，共同给客户提供一个更好的解决方案。
图4& 高性能DSP
　　FPGA的DSP的演进是这样的：把逻辑固化编程为一个固化的乘法器，然后把它提升更高的阶段，变成一个乘法累加单元（MAC）。为什么这样呢？因为数字信号处理并不是简单的乘法，在做数字信号处理的时候，会碰到很多乘和乘累加，还有比较、计数和矩阵运算等，如果这些都通过乘法器来做的话，需要信号处理的专家和熟悉FPGA的专家才可以做到。
　　FPGA的DSP的另一个优势是，可以保证能够运行在250MHz以上，上限没有给出，这取决于用户，对一些有经验的用户可以运行到300MHz以上。但是对一个DSP设计人员，由于对FPGA不是很熟悉，也可以轻易运行到250MHz。
　　Xilinx 8款产品
　　Xilinx目前有8款FPGA的DSP。其中Sparten-3A DSP为低端产品，今年4月16日刚刚发布。高端的Virtex-DSP分为两个产品线：Virtex-4 SX，采用65nm工艺的Virtex-5 SXT。
　　很多DSP工程师非常关心DSP的性能够不够高？所以Xilinx的产品从21最多到352个GMAC/s（千兆乘加/秒），以提供不同范围的性能，同时也增大在存储器方面的带宽。因此最低速产品可以运行到250MHz，高速产品运行到550MHz；MAC单元从84到640。
　　Altera的产品线
　　高密度Stratix III器件拓展FPGA的DSP性能。嵌入式DSP模块运行在550Hz，这些器件可达到每秒492千兆乘加（GMAC）的性能，并结合良好的逻辑结构与速度优化的互连。
　　低成本Cyclone III FPGA所提供的好处包括DSP性能、灵活性和更快的面市时间。廉价的Cyclone III ECP3C5拥有足够的嵌入式乘法器和逻辑资源，可以在1080p高清晰度视频上进行实时7×7像素过滤。Cyclone III是对成本敏感DSP应用的正确选择。
　　对于量大的应用， Stratix II器件可以引脚完全兼容地移植到HardCopy II结构化ASIC，从而保证客户的设计功能没有任何改变。Altera的新一代结构化ASIC芯片，逻辑相当于多达220万ASIC门，DSP模块相当于额外的140万门，还有集成超过8 Mbits的嵌入式存储器。
　　但显然，不同技术之间仍存在各种折衷，这也使得一些人相信，在可预见的未来，设计人员将继续面对芯片选型所带来的挑战。例如，固定功能的ASIC和ASSP，一般能得到高于FPGA的吞吐量和性价比，但这些优势却是以其它方面的重大损失为代价的。”BDTI报告指出。FPGA的关键优势，就在于其灵活性，以及开发者能够根据特定应用对其进行配置。“在能从并行处理获益的应用中，高性能FPGA每个时钟周期能完成更多工作。”BDTI报告显示。但是，尽管FPGA具备灵活优势，许多DSP工程师却并不熟悉面向DSP的FPGA，他们倾向于选择更传统的技术方案。”该报告指出。或许，一个更大的难题，是在器件性能和应用开发之间做权衡。“FPGA更难以使用，因为它有一套不同的设计和技巧。”Bier解释道，“在FPGA上创建一个优化应用是个费时的过程。”为了提升FPGA的吸引力以及易用性，FPGA厂商最近将精力投入在开发几项关键技术上，即：高层工具、模块库和以处理器为中心的设计。的确，尤其是FPGA工具正在取得长足进展。“这意味着，在今后几年，当前横亘在FPGA和DSP之间（且明显有利于DSP）的易用性差异将逐渐缩小。”该报告最后总结道。&&来源:
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