FPGA在信号处理系统中的应用

宋 飞

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

FPGA在信号处理系统中的应用

宋 飞

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

近年来，数字科学发展迅速，数字信号处理在信息科学的发展中发挥了至关重要的作用。雷达、声呐、语音、图像的等领域中都有数学信号的参与。文章针对FPGA在数字信号处理系统中的作用，进行了详细的阐述和探讨。

FPGA；信号处理系统；应用研究

数字信号处理出现于20世纪70年代，也发展于20世纪70年代。计算机学科的高速发展带动了数字信息处理系统的发展，促使它成为一门新兴的学科。数字信号处理以它特有的优势，在现实生活中得到了广泛的应用。它是通过对计算机的利用，将采集到的信息转变为数字的形式，然后对这种转换后的形式进行分析处理。

1 数字信号的优点及其作用

1.1 数字信号独特的稳定性

提起数字信号，就会想到与之相对应的模拟信号。模拟信号的局限性在于容易受到电阻、电容、温度等因素的影响，导致模拟信号在使用过程中会出现参数不准确的情况，给生产生活造成严重的影响。但是，数字信号系统克服了这一局限性，在使用中，很少受到这些因素影响，性能比较稳定。这种稳定性不仅保证了系统运行的准确性和效率，同时也能延长使用的时间。

1.2 数字信号处理系统对结果的直观性

最初使用模拟信号系统时，需要一段时间才能得到分析的结果。数学信号系统对结果的分析是直接快速的。数字信号系统在完成一项操作后，可以借助一些工具和方式将结果直接展现出来。同时，直接展现出来的结果有着高度的精确度，与最终应用到实际中的效果是一致的。

1.3 数字信号处理系统的编程简单明了

正如我们所了解的那样，对信号的处理是一个复杂的过程，需要专业人员进行操作，专业性高。因此，操作起来容易受很多外在因素的影响。数字信号处理系统针对这一问题进行了改进和发展。不仅适应力强，能满足多个领域的需求，更是在操作方面有了突破。它的设计结果较简单直接，灵活性强。当这一设计不是拥有某一应用时，可以在短时间内迅速进行调整，也可以对结构进行重新设置。

1.4 数字信号处理系统的投入低

对于模拟电路而言，投入的成本较高，它的使用需要通过大量不同类型的模拟器来完成，这其实是增加了投入的成本。数字信号系统的运行一般都是由大规模的集成电路来实现的。它的成本与其他的相比，投入较低。

2 FPGA的发展历史

2.1 最初DSP处理出现的问题

数字信号处理系统以它自身独特的优势被应用于很多领域，比如：数字通信，图像处理等。对于数字信号处理系统而言，它的设计方法不是单一的，最常见也是最主要的两种方式，一个是数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）处理器，另一个是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）。最发展过程中，DSP的弊端逐渐暴露出来，随着系统的发展，对处理器的要求也越来越高，DSP难以满足高标准的要求，它对结果的分析出现了大量的问题和缺陷。即使DSP的制作成本相对较低，但是它对数据处理的不准确性导致了该处理器实际使用的作用降低。对于可以提供高速度的DSP处理器，灵活性不高，使用的地点只局限于实验室，在数字音响、机器人、多媒体技术等方面的应用程度不高。FPGA处理器的出现解决了DSP的问题。

2.2 FPGA的发展

FPGA作为一个新兴的处理器，已经有20多年的发展史。FPGA应用于信号处理系统的时间晚于DSP处理器的运用。最初的FPGA在自身性能方面也存在着大量的问题，随着对技术的改进和发展，最终FPGA在成本和性能上都有了质的突破和改变，现在已经成为系统至关重要的核心部分。互联网技术的快速发展，对技术提出了更高的要求，需要进行大量复杂的处理。这种大量的需求，促进了FPGA的市场发展。现代科技的快速进步，纳米技术工艺成了科学界广泛研究的领域，纳米技术的研究，降低了FPGA的成本，丰富了它的功能，同时在性能上也有着大幅度的提升。

3 FPGA的优越性

3.1 并行处理能力强

FPGA在信号处理方面的能力远高于DSP，原因在于芯片的机制上。DSP使用的是串行的执行架构，串行执行架构适合应用于简单的系统分析，对于复杂的系统分析，串行系统容易出现分析结果不正确，系统不稳定的现象。而FPGA内在采用的是并行机制。并行机制最大的优点在于可以利用并行架构对数字信号进行处理。这种处理方式使得FPGA在处理复杂应用方面更加适合。对于滤波这种重复性的任务，并行机制也能高效准确地完成。

3.2 FPGA运行和重配能力灵活

如果需要实行不同的功能，DSP需要加载不同的软件。软件和功能是一一对应的关系，这种操作不仅麻烦，而且对结果的影响往往是负面的。它不能有效地改变DSP系统中的一些因素。只有改变了硬件的结构和功能才能改变系统一些模块的数量和功能。FPGA针对这个问题进行了改正，不同的配置文件可以下载到FPGA上，这样就能快速获得不同的硬件结构和硬件的功能。这种功能在FPGA中被称作为系统结构的可重配性。就是由于这种结构可重配的灵活性，提高了FPGA的可实用性价值。

3.3 FPGA的能耗较低

高速的应用是信息系统中必然会遇到的状况。对于DSP来说，应用于这样的系统之中会造成高度的功能消耗，对于低速的情况，DSP的消耗和成本较低。但是在实际操作中，高速，高效能的运用是无法避免的，在这样的条件下，DSP在低速处理中的低成本的优点难以展现出来。如果将DSP继续应用到高端的系统当中，不仅会增加成本，DSP的功耗与安全性可靠性的指标也会受到严重的影响。由于FPGA自身有着独特的灵活性且能应用到复杂的系统当中，在高端高能的应用场合，FPGA是最好的选择。首先，它可以解决多个DSP一起运行才能使用的系统，这种容纳，不仅能保证系统的可靠性，提高集成度，同时在此过程中的成本和功耗都会大幅度的降低。

4 FPGA在DSP领域的应用

4.1 应用于音频领域

随着多媒体技术的快速发展，人们对自媒体提出了更高的要求。在视频上，对视频的分辨率，清晰度有了更高判断标准。在图像处理方面，不在仅仅局限于平面图像的要求，而是希望图像能反映内容和情感，图像的质量能更加稳定，能够运用现代手法对图像进行进一步的处理，对图像中涉及的拍摄手法，对图像中的运动轨迹以及图像的特效处理效果灯都有了更高的期待值。为了满足人们日益增长的精神文化的需求，只是依靠传统的视频处理芯片很难满足这些改变。也很难创新的制作出新的有创意的作品。但是，如果使用FPGA可以解决这一问题，可以为音频提供新的创意和风格。首先，FPGA在使用时可以帮助用户根据自己的需求开发高性能的产品。其次，FPGA技术可以在考虑预算的前提下，开发出性能比较高的产品。用户的需求是千变万化的，FPGA能够做到具体问题具体分析，借助它自身的灵活性适应市场的需求。使音频产品推陈出新，做出属于用户需求的自主产权的产品。这不仅促进了音频业和信号处理系统的发展，同时，也促进了我国文化产业的进步。

4.2 应用于软件无线电领域

软件无线电指的是拥有能够重新配置硬件的无线设备，这种设备涉及的领域比较广泛，在多种通信标准下都可以进行。软件无线电之所以能被重用，与它的成本、灵活性、性能等是密切相关的。在军事，商用等方面都发挥着重要的作用。FPGA在软件无线电的应用主要体现在对基带的处理上，它能延长系统，并且能够使处理器之间的动态软件部分能够灵活的交换，保证系统从一个标准到另一个标准之间的切换。另一方面，FPGA和DSP两部分不是完全独立存在的，二者之间可以进行合作协调，这样不仅能提高系统的性能，同时又能降低系统的投入成本，为基带的处理提供了另一种选择，

4.3 应用于对水声信号的处理

对水声信号的处理是一个复杂的过程，它所展现出来的图像声呐都是具有高分辨率的，如果想要对此进行分析，这就要求分析系统有着高度的对数据的吞吐能力。在传统的对声呐的处理一般采用的设备是高速信号处理器，但是为了在分析时高标准的要求，通常要使用多片DSP处理器。这个过程不仅耗时和加大了投入。现在，随着科学技术的进步和发展，FPGA在这方面显示了它的独特性，它可以通过强大的运算能力对神呐图像和数据进行准确的分析。在和FPGA和DSP之间的相互配合的过程中，可以缓解重复的工作，同时，整体的一个性能也得到了提升。数字信号处理的办法有很多，在水声信号这一方面，主要采用两种最为广泛的方法：数字滤波和相关运算这两种。这些方法的运用具有重要的实用价值。为水声信号的分析增添了新的方法。

4.4 对FPGA和DSP的研究

近年来，对FPGA和DSP的研究引起了越来越多人的关注。对于我国而言，开发研究DSP的时间较早，也取得了一定的研究成果，基本上与一些发达国家的发展同步。但是，在后来兴起的FPGA中，虽然我国也取得了一定的成就但是整体来看，我国的研究起步较晚，发展水平和其他国家相比还有着一定的差距。为了进一步发展FPGA，我国在一些高校设置了研究课程，加大了对这方面的教育投入，鼓励创新和研究。通过这些政策的鼓励，我国的FPGA的研究取得了更多的成果，在信号处理和系统发展方面都有了显著的进步。

5 结语

由以上可见，随着FPGA的产生和发展，促进了不同产业的进步和发展。它以高性能、高速以及自身的灵活性等优点，在数字信号处理系统中发挥着重要不可替代的作用。在开发的过程中，要注重数字系统的实用性和高效性。让FPGA的作用发挥到最大化，带动我国科技、文化的进步和发展。

[1]邵正途，高玉良. DDS/FPGA在信号产生系统中的应用[J].现代电子技术，2014（1）：82-84.

[2]梁慧. FPGA在机载雷达信号处理系统中的应用[J].现代雷达，2015（2）：33-35.

[3]王海娟. FPGA在雷达信号处理中的应用及误差分析[D].西安：西安电子科技大学，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

宋飞（1981— ），男，陕西西安，硕士；研究方向：通信系统，数字信号处理。