基于FPGA外圍支持的DSP系統的設計綜述

摘 要：經濟不斷發展，現代社會信息化，我們的生活充斥著高科技電子產品。如今對電子設備更加快速精確運算的能力的需求與日俱增；而數字信號運算相對于模擬信號處理的天然優越性就是其快速精確可靠。由此催生出來了專用用于數字信號處理的DSP芯片，在其結合了可編程的FPGA器件作為外圍擴展電路后，更加使其用于數字信號處理的特性發揮的淋漓盡致。

關鍵詞：DSP芯片 FPGA 數字信號處理系統 設計

一、DSP技術概述

“DSP”是一個隨著信息科學和計算技術的蓬勃發展而逐漸被人們廣為討論和一度追捧的熱詞，它的概念早已浸透到了電子信息、通信、無線電、電路與系統等眾多高科技領域。DSP是“數字信號處理器”（Digital Signal Processor）的簡稱，即DSP芯片，這是一種專門為進行復雜的數字信號處理運算而開發研制的一類微處理器，是進行數字信號處理時所用的一類凸顯其“高速穩定”特點的專用硬件微處理器。日常生活中我們總是將數字信號處理技術和進行數字信號處理的硬件芯片都混稱作DSP，但是不影響我們的理解，因為兩者是不可分割的統一整體，前者作為后者的技術支持和理論依據而存在，后者作為前者的技術實現和物理體現充斥在我們的電子產品中。

二、DSP技術優點

數字信號處理技術的優點來源于其本質，即對所需進行處理的一切信號進行數值上的運算，幾乎所有的優點無不與此相關。相比于最早應用的且更容易為人理解的模擬信號處理方式，數字信號處理的流程顯得更為曲折和繁多，下面我們就來探尋數字信號處理技術的優點。

1.高度靈活。數字信號處理的高度靈活特點是基于其“數字”的本質：處理的直接對象（輸入信號）是數據，中間所進行的運算操作也是進行數字的代數分析，得出的結果（輸出信號）也是數字。既然所依據的和所處理的都是數字信號，那么所設計構成的數字信號處理系統的性能便是由參數決定，升級數字信號處理系統的功能、提升數字信號處理系統的精度必然是依據這些可以人為設定的參數，這樣的系統相比于那些依靠固定電器元件的連接而實現對模擬信號的直接處理有了更大的靈活性，高度靈活也使得數字信號處理系統更加具有適應性，可以應對不同環境、不同用戶、不同工作要求，這些也僅僅是改變一些軟件參數，不用改變固有的電氣連接設置。

2.可靠耐用。同樣是由于數字信號處理系統的實現是基于數值運算，并不是模擬信號的電氣元件的模擬輸出，故而只要數字信號處理系統的相關寄存器的參數保持對應環境所需要的數值不變，那么DSP芯片便可以穩定的按照編寫好的程序運行而不發生紊亂對處理過程產生意想不到的結果，與之明顯對比的模擬信號處理系統會由于電路元件連接斷裂或者器件老化問題出現不可靠的問題。

3.高度集成。數字信號處理系統的原理本質不是基于電氣元件的物理連接來達到對信號的處理，而是通常利用邏輯門單元處理邏輯狀態，將任何的模擬信號轉化為數字信號時，由于減少了體積和眾多的模擬器件，故而數字信號處理系統具有天然的規范統一性，即可以大規模生產、高密度的集成在同一電路芯片上的目的。同時更是由于引入基于FPGA器件的外圍支持的數字信號處理系統而使得不僅僅是核心微型化，連原來體積龐大的外圍支持電路也變得迷你。數字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等專用處理設備，在數字信號處理過程中具有抗干擾強、設備尺寸小、造價低、效率高、能耗低等突出優點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。如電視技術的發展，從模擬電視到數字高清、衛星直播，電視的質量、容量、時效性等性能都發生了質的變化，這些都是先進的數字信號處理技術與集成電路技術飛速發展的結果。

三、DSP技術實現

數字信號處理系統所完成的任務就是對來自上一級的數字信號進行規定的處理，這一任務的實現既是我們發揮數字信號處理相比于模擬信號處理的優勢，又是我們運用創造性思維將復雜轉化為簡單的具體體現。DSP技術具體實現的方法由以下幾種，但都是基于DSP的數值運算的本質所得出的。

1.軟件編程。軟件實現方式是按照我們研究的算法和理論通過編程的方式在通用計算機上實現數值運算——數字信號處理，此種方法并沒有性能優良的專門用來進行數值運算的物理器件支持故而適用于對速度、精度要求不高的領域，而且運算的結果的可靠性往往依賴通用計算機的性能。但是軟件實現方式的靈活性、可適應性是優越于其它方式的，不需要涉及固有器件的連接方式，僅僅是軟件內容的修改，參數的設定就可以達到我們的要求，通常廣泛的利用在研究領域中進行相關的仿真驗證。

2.硬件連接。硬件實現方式是按照已經相對成熟的設計好的硬件電路，利用相關器件進行實際的物理連接，在此設備置出的輸入端輸入欲處理的數字信號，直接在輸出端得到符合要求的信號。因為這種方式是基于固定的器件，所以免去了繁雜的軟件編程的痛苦，又由于信號自然地在電路流程中順序執行，因此實時處理，速度快，適用于那些對速度要求高的實時處理系統。同時，它的缺點也是顯而易見的，固定好的電路器件焊接好后難以進行后期重組升級，因此不夠靈活，難以移植，適合于模式固定的工業控制領域。

3.專用硬件上軟件編程。隨著科技進步和信息產業的升級發展，原有的在通用計算機上進行數字信號處理的模式遠遠不能滿足人們對運算速度、精度的要求，而相關利用硬件實現的方式又不能滿足升級更新需要的靈活性，一成不變絕對不能為這個為日新月異的時代所接受。因此催生出了專門用于數字信號處理的硬件芯片——DSP芯片。專用芯片區別于通用計算機的優點是可以專心做運算，同時配有專門的軟件實現語言，增加了此種實現方法的靈活性，因此專用硬件上軟件編程實現結合了上述兩種實現的優點，既提高了速度又增加了可移植擴展性。

四、FPGA概述

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列。它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它的出現是為了解決專用硬件芯片制作的高度集成電路中存在的難以靈活適應的難題，一定程度上，綜合了硬件連接實現方式帶來的運算高速實時的優點又克服了其自身難以擴展的難題。其實早就有將FPGA用于數字信號處理的嘗試，如賽靈思公司（Xilinx）攜手Eutecus公司在2008年慕尼黑國際電子元件博覽會上展示了業內首個單片FPGA上的全面視頻分析套件。這便是將單片上的FPGA用于數字信號處理從而實現圖形圖像處理的商業范例。為了發揮硬件的功效，外圍硬件電路設計可以根據需要通過FPGA器件內部的邏輯塊連接起來，就是將我們原來的DSP的外圍電路都用FPGA內部資源統一實現，而后核心——DSP和外圍電路綜合體——FPGA都被嵌入在了一個“大的芯片”里。這樣一個出廠后的DSP-FPGA的連接體芯片可以按照不同的設計要求通過編程來實現，省去了大量的手動拆卸電路器件的工作。這種交換是用復雜的編程工作來換不斷簡化的手工勞動，立足于如今數字化的信息社會，這種付出的代價是值得的，也是我們理應不斷探索發掘的技術。

參考文獻：

[1]洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛. 基于DSP-FPGA的永磁電機數字控制系統設計[J]. 組合機床與自動化加工技術，2015，（06）：96-100.

[2]Xilinx攜手Eutecus展示可編程嵌入式視頻分析平臺[J]. 電視技術，2008，（12）：91.

作者簡介：王瑞東（1996—）男。民族：漢，河北張家口人。河北農業大學本科生，目前從事電子信息工程專業的學習。齊婷婷（1995—）女。民族：漢，河北張家口人。河北師范大學本科生，目前從事數學與應用數學專業的學習。