摘要：數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式的一種方式，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)保障。在新時(shí)代背景下，F(xiàn)PGA芯片在信號(hào)處理領(lǐng)域上具有較大優(yōu)勢(shì)，逐漸替代傳統(tǒng)芯片。本文闡述了FPGA算法結(jié)構(gòu)以及運(yùn)算方式，并且對(duì)FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：FPGA;數(shù)字信號(hào)處理;應(yīng)用研究

前言：數(shù)字信號(hào)是在1960年-1969年發(fā)展起來(lái)的，隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，一定程度上促使數(shù)字信號(hào)處理得到較廣泛的應(yīng)用范圍，目前，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理性能要求較高，傳統(tǒng)信號(hào)處理一般采用DSP芯片進(jìn)行處理，但是這種芯片已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今快節(jié)奏時(shí)代的發(fā)展需求，由此FPGA應(yīng)市場(chǎng)需求被研發(fā)出來(lái)，并且取得了較高的成就，在市場(chǎng)上占據(jù)重要地位，具有穩(wěn)定的發(fā)展前景。

一、FPGA算法概述

FPGA是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上形成的，主要用于集成電路中，屬于一種半定制電路。就FPGA來(lái)說(shuō)，在使用過(guò)程中不僅可以解決電路問(wèn)題，同時(shí)也能夠緩解現(xiàn)有編輯器件電路有限的缺陷。FPGA充分運(yùn)用了邏輯單元陣列理念，與傳統(tǒng)邏輯電路相比具有較高的優(yōu)勢(shì)。

（一）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號(hào)處理具有一定的優(yōu)勢(shì)，比如運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、具有固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。為此，通常采用單指令對(duì)數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)中最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)的接受和計(jì)算工作，算法不同其復(fù)發(fā)度和輸入數(shù)據(jù)也不同，同時(shí)DSP芯片的功能也不相同。就數(shù)據(jù)控制而言，完成高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理方案主要有四種，分別是RISC結(jié)構(gòu)、并行處理、流水處理、陣列處理[1]。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)硬件選擇具有一定的要求，硬件選型主要有先進(jìn)的EDA技術(shù)、專用芯片、高速器件、可編程器件等。現(xiàn)階段，信號(hào)處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)朝著高速運(yùn)算、吞吐量大、實(shí)時(shí)處理方向發(fā)展，而FPGA誕生能有滿足這些要求，這也是FPGA能夠被廣泛的應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中的一個(gè)原因。

（二）FPGA的計(jì)算方式

現(xiàn)階段，能夠處理數(shù)字信號(hào)的技術(shù)有很多，針對(duì)不同領(lǐng)域都有一定的發(fā)展空間，其中DSP和單片機(jī)具有較廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，但是就性能而言，DSP與單片機(jī)在處理速度上相對(duì)于AJD具有一定的差距。在一些領(lǐng)域中對(duì)系統(tǒng)處理速度要求較高，但是DSP芯片處理效果并不理想，為此，最佳的解決方式是采用可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)編程，基于硬件列陣之上，充分運(yùn)用并行處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理[2]。在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中傅里葉變換FFT具有重要作用，通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT算法主要的工作內(nèi)容就是蝶形處理單元設(shè)計(jì)，常規(guī)的FFT算法采用了FLRXIOK仿真器件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，此仿真器件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足數(shù)字信號(hào)處理高速的需求，由于這種仿真器件內(nèi)部是結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)大的內(nèi)核、高速等性能，F(xiàn)PGA芯片高速運(yùn)算充分滿足FFT算法需求。通過(guò)VHDL編程能夠有效調(diào)動(dòng)DSP計(jì)算單元，使其形成蝶形計(jì)算結(jié)構(gòu)，F(xiàn)FT運(yùn)算方式正是由多個(gè)蝶形單元組成的，通過(guò)對(duì)個(gè)蝶形運(yùn)算反復(fù)迭代即可實(shí)現(xiàn)FFT算法。

二、FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用分析

（一）音視頻領(lǐng)域中FPGA芯片的應(yīng)用

新時(shí)代背景下，新媒體技術(shù)得到了快速發(fā)展，人們對(duì)媒體技術(shù)的要求越來(lái)越高。新媒體技術(shù)不僅可以展示出圖片和視頻，同時(shí)也提出了較高的要求。就視頻來(lái)說(shuō)，對(duì)清晰度及分辨率都有著較高要求，于圖像而言，不僅對(duì)圖像質(zhì)量有較高要求，同時(shí)也需要圖像具備較高的穩(wěn)定性，并且圖像顯示的內(nèi)容還需要具備直觀反映出情感的作用。為了能夠很好的完成這個(gè)目標(biāo)，必然需要對(duì)圖像進(jìn)行特殊處理，包括視頻清楚度處理、效果燈處理、特效處理等，傳統(tǒng)音視頻處理方式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代發(fā)展需求，而FPGA芯片技術(shù)處理音視頻效果和質(zhì)量，剛好能夠滿足音視頻的這個(gè)需求，可以實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新作品制作，為音視頻制作提供很多的效果和風(fēng)格?；贔PGA芯片上，用戶可以根據(jù)自身需求制作更多個(gè)性化的高性能產(chǎn)品，F(xiàn)PGA芯片也具備提升產(chǎn)品性能的作用[3]?，F(xiàn)如今，用戶對(duì)個(gè)性化音視頻制作要求越來(lái)越高，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)信號(hào)處理中具有較強(qiáng)的針對(duì)分析功能，可以根據(jù)具體問(wèn)題、場(chǎng)景、需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行處理，進(jìn)而不斷創(chuàng)新音視頻，推進(jìn)市場(chǎng)產(chǎn)品快速更新。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA芯片對(duì)音視頻領(lǐng)域發(fā)展起到促進(jìn)作用，同時(shí)也促使信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)一步提升，促進(jìn)文化產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

（二）軟件無(wú)線電領(lǐng)域中FPGA芯片應(yīng)用

FPGA芯片在數(shù)據(jù)信號(hào)處理中能夠?qū)τ布M(jìn)行重新配置，使其無(wú)線設(shè)備成為軟件無(wú)線電，F(xiàn)PGA芯片可以在多中通信下使用，為此目前通信中FPGA芯片被廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于其他設(shè)備而言，軟件無(wú)線電具有較高靈活性和較低成本等的優(yōu)勢(shì)，具有極高的商用價(jià)值。通過(guò)FPGA芯片可以對(duì)軟件無(wú)線電系帶進(jìn)行改進(jìn)，因此來(lái)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)系統(tǒng)的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備性能的目的。并且FPGA芯片在數(shù)據(jù)信號(hào)處理中可以進(jìn)一步強(qiáng)化處理器之間軟件交換的靈活性，保證系統(tǒng)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上能夠準(zhǔn)確、快速的朝著另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切換，同時(shí)確保轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量。其中還應(yīng)當(dāng)重視FPGA處理技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)之間的聯(lián)系，其二者之間可以協(xié)同運(yùn)行，在提升信號(hào)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上起到降低數(shù)據(jù)信號(hào)處理成本的作用，也就是說(shuō)，F(xiàn)PGA技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了軟件無(wú)線電基帶發(fā)展新途徑。

（三）水聲信號(hào)中FPGA處理技術(shù)的應(yīng)用

水聲信號(hào)處理的復(fù)雜性和難度都比較高，在處理水聲信號(hào)過(guò)程中，對(duì)聲吶圖像分辨率要求較高，為此要想充分展示出水聲信號(hào)，就需要保障信號(hào)處理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)性能以及圖像顯示性能良好。傳統(tǒng)聲吶圖像處理過(guò)程中，一般使用高度信號(hào)處理器，而為了能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，通常采用多片處理器并行的方式進(jìn)行信號(hào)處理，采用這種方式處理數(shù)據(jù)信號(hào)整個(gè)過(guò)程需要大量的時(shí)間和成本，極不利于企業(yè)發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片能夠很好解決這個(gè)問(wèn)題[4]。FPGA具備強(qiáng)大的運(yùn)算功能，對(duì)聲吶數(shù)據(jù)信號(hào)可以進(jìn)行精準(zhǔn)分析，充分展示出FPGA芯片的獨(dú)特性。在數(shù)據(jù)信號(hào)處理中應(yīng)用FPGA芯片能夠有效降低重復(fù)操作的問(wèn)題，全面提高信號(hào)處理效果。此外，在對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，可以采用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)方法較多，經(jīng)常使用的有相關(guān)運(yùn)算和數(shù)字濾波兩種，為水聲信號(hào)處理方式提供更多處理途徑，在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中，F(xiàn)PGA芯片具有良好的發(fā)展前景。

結(jié)論：綜上所述，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)處理芯片已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今需求，促使FPGA芯片發(fā)展迅速，F(xiàn)PGA在處理數(shù)據(jù)信號(hào)方面具有極高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為此廣泛的使用。相對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)處理芯片而言，F(xiàn)PGA芯片具備較高的使用性和靈活性，可以完成更為復(fù)雜的運(yùn)算方式?，F(xiàn)階段FPGA芯片在音視頻、軟件無(wú)線電、水聲信號(hào)處理中應(yīng)用比較廣泛，一定程度上推進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)升級(jí)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：楊橋，性別：男，1986年5月出生，籍貫：四川省綿陽(yáng)市學(xué)歷：本科職稱：邏輯工程師，研究方向：FPGA在數(shù)據(jù)信號(hào)處理中的應(yīng)用

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