FPGA在信号处理中应用毕业设计.doc

FPGA在信号处理中的应用 1. 前言 数字信号处理是利用计算机或数字信号处理器等设备，以数字形式对信号进行采集、变化、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，已得到符合需要的信号形式。 图1-1是经典数字信号处理系统的整体框图。是原始信号，是经过处理后的输出信号，两者之间的部分是信号转换和信号处理的通道。其中的低通滤波器I又称为抗混叠滤波器，其作用是将高于ADC采样频率一半的信号频率分量滤除，防止采样后产生信号的频率混叠。随后，信号经采样和ADC后，变成数字量。数字信号处理模块对进行处理，得到输出信号，经DAC变成模拟信号送到低通滤波器II。这个滤波器是平滑滤波器，滤除DAC后的高频分量，得到比较纯净的模拟信号。 图1-1 数字信号处理系统整体框图 Fig.1-1 Overall diagram of digital signal processing system 上图中的数字信号处理模块无疑是该系统的核心部分。信号处理模块的核心器件一般可以选择计算机，专用集成芯片ASIC，通用微处理器DSP以及现场可编程门阵列FPGA等。最近几年来，随着FPGA性能的提高和价格的降低，它已经成为数字信号处理系统的核心器件，它的高速并行处理能力是其他处理模块所无法匹敌的。然而，数字信号处理开发人员往往熟悉使用Matlab或C/C++语言来进行系统建模，而对FPGA开发所需的硬件描述语言HDL比较陌生，如何将两种方法结合，具有一定的挑战性。 System Generator就是为实现使用Matlab或C/C++环境开发FPGA而产生的。它能够在Matlab/Simulink提供的环境中对所需的硬件系统进行图形化建模，扩展了传统的HDL的设计方式，提高了开发效率。另外，System Generator可以直接将Simulink创建的图形化系统转化为ISE的工程，大大减少了开发时间，降低了出错率。 本文通过比较数字系统设计传统方法和System Generator开发的特点，展示了后者的优越性。并且应用该方法设计验证了一套软件无线电中频接收机系统中数字下变频系统。 2. 数字信号处理系统设计方案比较 2.1 基于FPGA的传统数字系统设计方法 传统的数字系统设计需要使用Matlab或者C\C++语言对系统模块进行描述，然后根据系统级模型使用硬件描述语言完成硬件寄存器传输级的实现。可以用图2-1中的流程图来概括这种开发过程： 图2-1 基于FPGA的传统数字系统开发流程图 Fig.2-1 Flow chart of traditional digital signal processing system development based on FPGA 容易看出，传统的设计方法存在很大的弊端： 使用Matlab或C\C++环境建立的系统级模型的正确性，并不能保证将其转化为HDL产生的RTL级模型的正确性。这种转化不仅要求开发人员同时具有良好的M或C\C++语言的开发能力，并且会耗用大量的时间，更重要的是，这种由高级语言模型到硬件描述语言模型的转化有时候是很难甚至根本无法实现的。 2.2 基于System Generator的数字系统设计方法 使用System Generator可以避免传统方法中的弊端。 2.2.1 System Generator概述 System Generator是Xilinx公司的系统级建模工具，继承了Simulink的模块化建模方式及其动态系统建模、仿真、和分析功能，同时,它还可以将功能模块定义的系统参数映射为硬件实现中的实体、结构、端口、信号和属性，并能够自动生成FPGA综合、仿真和实现工具所需的命令文件。由此可见，System Generator是数字信号处理系统设计与Xilinx FPGA实现之间的“桥梁”。 2.2.2 使用System Generator的基本概念 2.2.2.1 System Generator Blockset System Generator Blockset是Simulink中的一个专用库，包裹Xilinx所有专用DSP模块，是System Generator设计中必须用到的模块。可以在Simulink库浏览器窗口看到，与System Generator有关的库包括Xilinx Blockset、Xilinx Preference Blockset和Xilinx XtremDSP Kit，其中Index包括所有的Xilinx Blockset块，共有超过90种不同的DSP功能块用于构建系统。 2.2.2.2 FPGA边界设计 FPGA是基于定点数的实现方式，而Simulink的基本模型设计基于浮点数，因此在System Generator设计中必须包含浮点数到定点数的转换模块。Gatew