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1、《电讯技术》2000年第1期 ·信息处理·利用FPGA实现数字信号处理X振勇 屈 丹 门向生关键词:数字信号处理技术,现场可编程门阵列器件,应用【摘要】本文以FFT、FIR滤波器、自适应信号处理和可再配置计算为例,讨论了现场可编程门阵列(FPGA)器件的DSP典型应用。在具体应用过程中会存在的一些实际问题,如有效字长影响、并行与串行结构的选择和FPGA内部结构对设计的影响等,本文也对此进行了分析。速连线。基于SRAM的FPGA具有类似A2SIC
2、的定制功能的优点,并解决了ASIC的高一、引 言开发成本和制成产品后不能进行修改的缺点。DSP以其低功耗、高速、高集成度和高性价比,在军事、工业和民用领域担负越来越重要的任务。特别是在现代信息产业,许多二、FPGA器件典型的DSP应用通信系统功能逐渐由硬件定义向软件定义的方向发展,而DSP是实现这一转变的不可缺与通用DSP解决方案相比,FPGA器件少的核心技术,软件无线电的提出和发展便在不牺牲灵活性的条件下,提供了更高的性是最好的说明。能。Altera公司提供用硬件描述语言(HDL)从DSP应用
3、范围看,DSP可分为通用定义的DSP宏功能,可完成并行和串行FIRDSP和专用DSP2种。一般地,DSP的算法滤波器、FFT、复数及浮点运算等DSP功能。是利用通用可编程DSP器件实现较低速率DSP宏功能已经按照器件的结构特点进行的应用,而利用专用DSP芯片组和专用集成了优化,用户可以很方便地利用这些宏实现电路(ASIC)实现较高速率的应用。作为实自己的设计。现DSP功能的一种专用芯片,FPGA器件提11FFT供了新的选择。FPGA可分成“粗颗粒FFT是一种将信号从时域转换到频域(coarse-g
4、rained)”结构和“精细颗粒(fine-的方法,在无线通信、语音识别、频谱分析和grained)”结构2种,粗颗粒结构是指逻辑单噪声分析等领域有着广泛的应用。Altera元数目较少但功能相对较强,精细颗粒结构FFT采用了频率抽取算法(DIF-Decimation是指逻辑单元数目较大但功能相对较弱。大inFrequency),它使用双存贮器结构,分别命多数FPGA都采用粗颗粒结构,例如Xilinx名为左存贮器和右存贮器,数据从一个存贮4000系列FPGA的逻辑单元(CLB-Config2器中读出
5、,经过蝶形运算后写入另外一个存urableLogicBlock)包含了2个4输入的查找贮器。为了增大数据的吞吐量,AlteraFFT表、一个3输入的查找表、2个触发器和一些还使用了第3个存贮器,用于存放蝶形运算通道连线,AlteraFLEX10K系列FPGA的逻的系数。为了增大灵活性,需要用户自己设辑单元(LE-LogicElement)包含了一个4置存贮器和I/O接口,以适应不同的应用,输入的查找表、一个可编程触发器和一些快设计者既可以使用FPGA片内RAM,也可X褚振勇 屈 丹 门向生 空军电
6、讯工程学院 西安 71007791《电讯技术》2000年第1期 ·信息处理·使用片外RAM。图1是FFT的表示符,在Altera图形编辑器中调用并定义各个I/O端对于线性相位响应的FIR滤波器,有:口及其参数后,可进行FFT运算。h(1)=h(8)h(2)=(h(7)(2)h(3)=h(6)h(4)=4h(5)所以,可将滤波器优化成图3(b)所示的结构,它节省了4个乘法器。并行矢量乘法器可由查找表和并行加法器实现。更多位抽头的FIR滤波器实际上
7、是由8抽头FIR滤波器模块级联而成。如果抽头数目不是8的整数倍,只需简单地删除滤波器中的某级寄存器即可。串行FIR滤波器执行与并行FIR滤波图1AlteraFFT表示符器同样的功能,只是每次只能处理1比特的Altera还提供“FFT—on—chip”功能,它输入数据,所以速度低于并行结构,但占用的使用片内存贮器,并定义了I/O接口,让设芯片资源少。计者仅利用一片FPGA就可完成FFT。图4说明了FIR滤波器工作带宽并不21FIR滤波器受抽头数目的影响。AlteraDSP宏功能的FIR滤波器模块包3
8、1自适应信号处理括8、16、24、32和64抽头并行和串行FIR我们以实际的例子来说明利用FPGA滤波器,滤波器系数的数据宽度可由用户定器件进行自适应信号处理。图5是一个二权义。图2是图形编辑器中8抽头并行FIR值的自适应线性组合器,可完成干扰抵消功滤波器的表示符,设计者可调用该符号完成能。一个8抽头FIR滤波器的设计。图3(a)是设有用信号为一个普通8抽头并行FIR滤波器结构图,它执行(1)式的计算功能5π(k+k0)s(k)=2sin(3)NN为每个信号周期中的抽样数,可令N=
