基于FPGA可以實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字信號(hào)處理器？如何實(shí)現(xiàn)？！

以下內(nèi)容中，小編將基于FPGA設(shè)計(jì)一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器，希望本文能幫您增進(jìn)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的了解，和小編一起來(lái)看看吧。

一、FPGA和數(shù)字信號(hào)處理器

FPGA是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

數(shù)字信號(hào)處理是一種將現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)信號(hào)(專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱之為連續(xù)信號(hào))轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的信息的過(guò)程。比如人們說(shuō)話的聲音，這就是一個(gè)連續(xù)信號(hào),除此之外，現(xiàn)實(shí)生活中還有很多這樣的信號(hào)，比如光、壓力、溫度等等。這些信號(hào)通過(guò)一個(gè)模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程(稱之為AD)，變成數(shù)字信號(hào)送給處理器，進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，處理結(jié)束后，再把結(jié)果通過(guò)數(shù)字向模擬的轉(zhuǎn)換過(guò)程重新變成連續(xù)信號(hào)(稱之為DA)。用一般的通用微處理器可以完成這些工作，但是面臨的問(wèn)題是滿足如此高的計(jì)算速度，就很難保證耗電量很低，更難保證價(jià)格足夠便宜。因此，另一種微處理器應(yīng)運(yùn)而生：數(shù)字信號(hào)處理器，簡(jiǎn)稱DSP。

那么，如何通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理器呢？我們接著往下看。

二、如何基于FPGA實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字信號(hào)處理器

1、控制單元實(shí)現(xiàn)

在FPGA設(shè)計(jì)中，控制單元核心部分是狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，狀態(tài)機(jī)是一種有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，用于管理FT計(jì)算的不同階段，這些階段包括初始化、數(shù)據(jù)輸入，蝶形運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)在時(shí)鐘信號(hào)上升沿觸發(fā)時(shí)更新。根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)，狀態(tài)機(jī)會(huì)切換到下一個(gè)狀態(tài)，在代碼中使用了always塊來(lái)描述狀態(tài)機(jī)的行為，控制單元還需要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止控制。

此外，控制單元還可能需要與其他模塊進(jìn)行狀態(tài)同步，以確保各個(gè)組件在正確的時(shí)間執(zhí)行。例如，與蝶形運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元之間的狀態(tài)同步是至關(guān)重要的，以確保數(shù)據(jù)在正確的時(shí)間傳遞和處理。

2、蝶形運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)

2.1 模塊定義

下面的代碼定義了一個(gè)名為ButeriyUnit的Veri0g模塊，該模塊包括輸入和輸出端口。輸入包括兩個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而輸出包括一個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)

2.2 復(fù)數(shù)乘法

這部分計(jì)算了兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)的復(fù)數(shù)乘法。首先，實(shí)部相乘得到productreal，然后虛部相乘并相加得到product imag。這兩個(gè)值構(gòu)成了復(fù)數(shù)乘法的結(jié)果。

2.3 復(fù)數(shù)加法

這部分計(jì)算了兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)的復(fù)數(shù)加法。它直接將實(shí)部和虛部分別相加，得到output data_real和output data_imag，它們構(gòu)成了復(fù)數(shù)加法的結(jié)果。

2.4 旋轉(zhuǎn)因子實(shí)現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)因子在FFT算法中表示為復(fù)數(shù)幅度為1的指數(shù)函數(shù)，其角度由FFT計(jì)算的當(dāng)前階段和頻率決定。

該模塊接受一個(gè)8位的角度輸入作為phase，并輸出32位的旋轉(zhuǎn)因子的實(shí)部和虛部。

生成的旋轉(zhuǎn)因子的實(shí)部和虛部都是32位寬的有符號(hào)數(shù)它們表示了復(fù)數(shù)形式的旋轉(zhuǎn)因子。這些旋轉(zhuǎn)因子用于后續(xù)的復(fù)數(shù)乘法操作，以實(shí)現(xiàn)頻域的正確變換。

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