1、    fpga在數字信號處理中的應用研究    李月月 葉秀麗 薛雯宇數字信號處理的應用優勢較強，因此在當前得到了廣泛使用，其主要將采集到的信號轉換為數字形式，為后續的分析處理提供支持。就當前的情況來看，多種系統對數字信號處理的要求有所提升，使得原有的處理芯片不再適用。現階段，fpga芯片迅速發展，逐步取代原有芯片，并被大量應用于數字信號處理領域中。1 fpga與數字信號處理的概述1.1 fpgafpga（現場可編程邏輯門陣列）依托pal、gal等可編程器件的研究形成，其主要是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的。對于fpga而言，其具有極高

2、的應用優勢，在使用中既能夠解決定制電路的缺陷，又可以克服原有可編程器件門電路數有限的問題。fpga應用了邏輯單元陣列概念，其內部主要包括三部分，即可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內部連線。相比與傳統的邏輯電路和門陣列（包括pal、ga或是cpld器件等）來說，fpga屬于可編程器件，因此擁有不同的內部結構。1.2 數字信號處理技術對于數字信號處理技術來說，其主要指在模擬信息（圖片、聲音、視頻等）向數字信息轉換中所應用的技術。寬泛的來講，數字信號處理技術為數字信號處理理論的應用實現技術，主要包含數字信號處理理論、硬件技術、軟件技術。在實際的使用中，該技術高度穩定、可程控、可重復性強、抗干擾且修改簡

3、單，因此得到了廣泛應用。2 基于fpga的數字信號處理算法的實現2.1 數字信號處理系統的結構數字信號處理的特點主要有運算過程相對復雜、大數據結構相對固定、數據量相對較大等等，基于此，在實踐中，普遍使用了單指令多數據流的計算方法。具體來說，就是對大量的數據使用同一種程序代碼展開反復的計算。在數字信號處理系統中，對實時性的要求更高，能夠實現數據接收與分析計算的同時展開，促使整個流程的流水化。根據數據的輸入量與算法復雜程度的不同，對數字信號處理芯片的性能要求也存在著較大差異。以數據流控制來說，想要對信號進行高速、實時性處理，可以使用的方案包括流水處理、并行處理、risc結構以及陣列結構;以硬件選型

4、來說，想要實現信號的高速、實時性處理，可以使用的器件或技術主要有可編程器件、專用芯片、高速器件、超并行列陣、其他eda技術。總體來看，實時處理、大吞吐量、高速計算是當前數字信號處理系統的主要發展趨勢，而引入fpga就能夠達到上述目標。因此，fpga在數字信號處理領域得到了廣泛應用。2.2 基于fpga的fft算法實現在長時間的發展中，已經形成了多種可以應用于數字信號處理領域的技術，且這些技術在不同應用場景下均占據較大市場。然而，從性能的角度進行分析，在數字信號處理中單片機等信號處理單元雖然得到廣泛應用，但是其速度依舊有待提升，與ajd等芯片相比存在較大差距1。處理速度是多數應用場景中重點追求的

5、內容，也是系統最重要的性能，而通用數字信號處理芯片難以達到高速。在實際的信號處理中引入fpga就能夠彌補這一缺陷，具體來說，使用fpga展開算法變成能夠獲得更高的信號處理速度，這也是當前技術條件下提升速度的最優方案。此時，在硬件陣列的條件下應用并行處理即可。現階段，可編程器件生產技術不斷提升，依托fpga芯片能夠完成多樣的復雜算法。在當前的數字信號處理中，傅里葉變換占據著核心地位。文章主要選取傅里葉變換中的fft算法進行fpga應用的分析。依托fpga實現fft算法的核心在于設計蝶形處理模塊。筆者使用flexiok仿真器件作為硬件平臺，保障數字信號處理實踐的高速與實時性。在fpga芯片的支持下

6、乘法運算得以迅速完成，為fft算法的實現提供了有力支持。該過程中，可以使用vhdl編程對高度數字信號處理乘法運算單元實施調用，以此完成蝶形運算結構的構建;在該蝶形處理模塊的支持下組成fft運算級，結合反復迭代，就可以實現fft算法的并行計算。另外，利用maxplusii軟件可以完成fft算法性能的有效分析，依托波形分析與邏輯分析，可以獲取該算法各項性能的參數。2.3 fft處理器的構建傅里葉變換原理表明，基數有著多種劃分方法，且基數與系統資源占用率呈現出正比例的關系，具體有：當基數越大時，所占用的系統資源也就越多，而分析速度也更快。一般情況下，均使用基2展開分解，保證處理速度與系統資源的分配高

7、度平衡。在fft算法中，運算單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組合形式2。在本次研究中，由于必須要在計算中應用大量的旋轉因子，所以加設了rom存儲器，以此完成緩存操作。此時，控制單元提供算法執行過程中所需要的所有控制信號;計算數據的緩沖由一號存儲器承擔;中間結果的暫時保存由二號存儲器承擔。依托控制器的指揮，中間數據、使能信號與地址信號均有序工作，并完成計算結果及其指示標志的輸出。3 fpga在數字信號處理領域的具體應用探究3.1 在音視頻領域的應用現階段，新媒體技術迅速發展，人們對自媒體的要求增高。從視頻方面來看，對視頻的清晰度以及分辨率有著更高的追求

8、;從圖像處理方面來看，不僅要求著更高的圖像質量以及穩定性，還需要圖像可以直觀的反映出內容與情感。為了實現這一目標，就需要對圖像展開處理，包括特效處理、添加效果燈等等。此時，若是依舊使用傳統的音視頻處理芯片，則難以滿足上述需要。而在這樣的數字信號處理中應用fpga芯片就能夠達到當前對音視頻質量與效果的現實需求，完成富有創意的作品創作，賦予音視頻以新的風格。在fpga的支持下，用戶可以結合自身個性化需求完成高性能產品的開發;在預算充足的前提下，使用該芯片也能夠提升產品性能。就當前的情況來看，用戶對音視頻產品的個性化需求更高，而使用fpga就能夠做到針對性分析，結合具體問題進行實現產品定制，促使市場

9、中的音視頻產品不斷推陳出新。基于此，明顯推動了音視頻領域與信號處理系統的升級，為我國文化產業的更好發展提供支持。3.2 在軟件無線電領域的應用可以重新展開硬件配置的無線設備為軟件無線電，由于其能夠在多種通信標準下有效使用，因此在當前的通訊操作中，該設備得到了廣泛應用。相比于其他設備來說，軟件無線電的成本更低、靈活性更強，有著極高的應用優勢，在商用與軍事領域均發揮著較大作用。而通過在其中引入fpga，能夠實現軟件無線電的基帶優化處理，達到系統延長的效果，提升了設備性能。同時，依托fpga，可以進一步增強處理器之間動態軟件部分交換的靈活程度，促使系統能夠從一個標準更迅速、高質量、準確的切換至另一個標準上。需要注意的是，fpga與數字信號處理并非為完全獨立的，兩者之間可以展開協同運行，推動系統性能顯著提升的同時，達到降低成本的效果。總體來說，fpga為軟件無線電的基帶處理提供了新路徑。總 結綜上所述，現階段，原有的數字信號處理芯片無法滿足現實需求，推動著fpga芯片的迅速發展。由于fpga具有極高的應用優