摘 要：數(shù)字信號處理技術可以被應用在通信、圖像、音頻、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)控等各個領域，與人們的生活息息相關。近年來，我國科技高速發(fā)展，數(shù)字信號處理領域也有了一定的突破，F(xiàn)PGA技術有了一定的研究成果，在數(shù)字信號處理領域中得到了廣泛的應用，本文對數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)進行了一定的探究。

關鍵詞：數(shù)字信號處理;FPGA;可編程門陣列

引言：我國已經進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，各個企業(yè)也開始逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化轉型，企業(yè)的工作已經離不開各種軟件程序，編程技術和程序技術人員越來越受到重視，F(xiàn)PGA是一種可編程門陣列，能夠提高程序運行的效率和精度，在通信、信息識別、語音識別等數(shù)字信號處理技術中擁有廣闊的應用空間。

1. FPGA簡述和結構

FPGA被稱為可編程邏輯陣列器件，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件基礎上進一步發(fā)展的產物。FPGA通過編程可以把一個通用的FPGA芯片配置成客戶所需求的數(shù)字電路。FPGA是專用集成電路中的一種半定制電路，在彌補了定制電路不足的同時，又克服了原有可編程器電路數(shù)量有限的缺點。FPGA主要由可編程輸入單元、編程邏輯單元、嵌入式塊RAM所構成?？删幊梯斎雴卧峭饨悠骷_和內部邏輯陣列之間的連接，主要由輸入觸發(fā)器、緩沖器和輸出觸發(fā)器、緩沖器組成。可編程邏輯單元是FPGA的主體結構，是實現(xiàn)邏輯功能的主體，主要由觸發(fā)器和查找表組合而成。嵌入式塊RAM擁有單雙接口，能擴展FPGA的應用范圍和靈活性。

2.用FPGA實現(xiàn)數(shù)字信號處理的特點

FPGA由于其兼容性、穩(wěn)定性、成本低等特點，在數(shù)字信號處理領域有著廣泛的應用空間。數(shù)字信號處理領域中應用FPGA后，其數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)處理速度得到了顯著的提升。FPGA是可以由用戶編程，來實現(xiàn)所需邏輯功能的數(shù)字集成電路，可以實現(xiàn)布爾表達式、寄存器函數(shù)等功能。FPGA擁有串行、并行兩種工作方式，集成度很高，用FPGA設計數(shù)字電路，可以精簡數(shù)字處理程序的結構，減小數(shù)據(jù)規(guī)模，降低能源的消耗，提高程序的穩(wěn)定性。與當前的ASIC電路相比，F(xiàn)PGA設計周期更段，程序更改也更加方便。因此，F(xiàn)PGA在實時測控、信息傳遞、數(shù)字信號處理等方面有巨大的應用前景，對其進行深入研究具有重要的意義。

3.用 FPGA 實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法

3.1數(shù)字信號處理的系統(tǒng)結構的實現(xiàn)方法

數(shù)字信號處理需要用同一代碼對大量數(shù)據(jù)進行重復執(zhí)行，每組重復的代碼稱為一次迭代，具有單一指令、多重數(shù)據(jù)的特性，需要巨大的數(shù)據(jù)吞吐量和實時計算量。在數(shù)字信號系統(tǒng)中，輸入信號會持續(xù)的被處理，每一次迭代都會給出相同的輸出，輸入信號的處理并不會在輸出結果時停止，兩者是同時運行的。實時DSP系統(tǒng)要求處理器速度滿足應有的抽樣率，語音、聲納等應用場景中，系統(tǒng)抽樣率較低，DSP系統(tǒng)的處理速度也相應降低。數(shù)控、圖像等應用場景中，系統(tǒng)的抽樣率較高，對DSP系統(tǒng)的處理能力也相應提高。由此可見，高效、實時是當代信號處理技術的顯著特點。常見的信號處理系統(tǒng)結構有四種，都應用了FPGA技術，包括流水線處理、并行處理、陣列結構、RISC結構。

當算法具有一定的遞歸性、數(shù)據(jù)規(guī)整，并在局部傳輸時，采用流水線處理會有很好的效果，能提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的通過率[1]。但實際流水線結構存在流水級間的“瓶頸”問題，不能處理復數(shù)遞歸性運算。應用FPGA后，信號處理系統(tǒng)可以采用兼容處理的方式，同時能處理復數(shù)的遞歸性算法，提高了處理器的兼容程性和運算效率。并行算法是提高信號處理系統(tǒng)運算效率和運算量的最有效方法。并行處理具有同時性，系統(tǒng)可以在同一時刻處理一個或多個的時間，復數(shù)硬件程序同時工作，并行處理結構極大的提高了信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)處理能力。但是這種并行處理對系統(tǒng)的負擔較大，而且處理速度較慢，無法達到其真正的效果。FPGA的應用有效的提高了信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)流通速度，并通過精簡系統(tǒng)結構，減少數(shù)據(jù)流通步驟，減輕了系統(tǒng)負擔，延長了使用壽命。陣列結構是最近研制出的一種數(shù)據(jù)處理，模型，擁有一定的實用性，已經到了可以投入實用的階段。陣列處理采用并行與流水結合的方式，最大限度的應用了VLSI技術，非常適合處理數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)規(guī)整、具有局域特性的信號處理任務[2]。陣列處理中運用了大量的FPGA技術，精簡了復雜的系統(tǒng)結構，使流水和并行的能力得以實現(xiàn)。

3.2基于 FPGA 的 FFT 算法實現(xiàn)

數(shù)字信號處理有很多種實現(xiàn)方法，信號處理領域對數(shù)據(jù)處理速度的要求非常高，當前通用的單片機或DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度較慢，難以與快速的數(shù)據(jù)輸入器件所匹配，已經無法滿足現(xiàn)在信號處理領域的要求。設計人員可以根據(jù)FPGA中可編程邏輯器件的特點，編輯高速的信號處理算法，并且單個FPGA器件就能得到期望的性能。DFT及FFT算法是信號處理領域的核心，設計人員可以基于FPGA技術實現(xiàn)FFT算法蝶形處理單元，將高速輸入性能模塊化內置于單元中，在編程時可以用DSP模塊生成乘法器，以多個蝶形單元來進行FFT運算，并通過不斷循環(huán)DSP模塊，可以實現(xiàn)FFT并行化運算，使其擁有強大的內核性能和大存儲寬帶，數(shù)據(jù)處理能力是通用DSP系統(tǒng)的十倍左右。FPGA的應用，極大的提高了信號處理領域的數(shù)據(jù)處理速度。

3.3 用FPGA來實現(xiàn)相關運算

相關運算是數(shù)字信號的基本方法，實現(xiàn)相關運算的方法有時域和頻域兩種，時域相關處理對系統(tǒng)的性能要求較高，通過查表或者累加的形式實現(xiàn)運算，查表與點數(shù)沒有關系，缺點是占用大量運算空間。累加方式可以應用FPGA，實現(xiàn)多個累加單元并行運算。頻域相關運算對系統(tǒng)性能要求較低，實現(xiàn)簡單、實用性強，但是與點數(shù)有較強的聯(lián)系，當點數(shù)較大時，頻域相關運算量將會非常龐大，處理速度慢，難以滿足實時性的要求。頻域相關運算也可應用FPGA，精簡運算架構，減少運算量。

結 論

近年來，我國數(shù)字信號技術有了高速發(fā)展，在通信、視頻、音頻、數(shù)控等領域得到了廣泛的應用，極大的改變了人們的生活方式。數(shù)字信號技術需要兼顧數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)處理速度，F(xiàn)PGA作為一種半定制電路，可以兼容單行與并行、精簡系統(tǒng)架構，靈活度高，在數(shù)字信號領域中起著極為重要的作用。

參考文獻

[1] 李聰，向新，王瑞，孫曄.基于FPGA的數(shù)字信號處理模塊設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2020，41（06）：1586-1591.

[2] 何雙宗. 基于多核DSP的可重構數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].天津工業(yè)大學，2019.

作者簡介：姓名：鄭維海（1991.11—）;性別：男，民族：漢，籍貫：貴州安正人，學歷：本科;現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：數(shù)字信號處理。