基于FPGA設計DSP的實踐與改進

當設計的系統需要對數字信號進行處理時，常采用通用 DSP（Digital Signal Process）處理器，這樣的設計方案通用性好，且還有各種較為成熟的 DSP算法可以參考。但是，這類方案通常是雙核設計，即采用通用控制器（MCU）加上通用 DSP處理器實現，在實現系統時開發(fā)的復雜程度、難度都較大，也難以滿足定制特殊處理的需要。為了解決這些問題，人們開始尋求新的設計方案，基于通用處理器加上FPGA（大規(guī)?？删庨T陣列）的架構方案逐漸成為主流，在新的方案中通用控制器完成控制和管理功能，專用的數字信號處理和組合邏輯功能由 FPGA實現，使得設計開銷與復雜程度明顯降低。

1 現行設計流程的不足

使用“MCU＋FPGA”架構方案的開發(fā)流程如圖 1所示 [1]。系統的設計之初是先由系統結構設計小組制定出系統模型方案，并確定模型仿真正確之后將系統結構的設計方案提交給FPGA設計人員，并依據系統模型用硬件描述語言創(chuàng)建系統同時創(chuàng)建測試平臺，比較系統級仿真結果與模型設計是否相符，當不相符時則需要進行修改，并重新進行仿真驗證。在這種流程的開發(fā)中必定會存在很多的迭代與間歇。

分析其原因在于系統結構設計人員與 FPGA設計人員的工作有重復與制約性。二者的工作同樣是進行系統設計，并且都要進行仿真，只不過前者是進行系統的軟件仿真，后者進行系統的硬件仿真。另外系統的建立需要幾位工程師的協同工作。如果當 FPGA設計人員驗證出系統設計有誤時，還要回轉給系統結構設計人員等待修改完再重新進行硬件系統設計與仿真。

2 設計流程的改進

2.1 EDA設計工具

1) MATLAB的 Simulink環(huán)境

MATLAB是 MathWorks公司開發(fā)的功能強大的數學分析工具。并且被廣泛應用于科學計算和工程計算中[2]。Simulink是基于 MATLAB平臺推出的一個強大的動態(tài)系統仿真環(huán)境。它以圖形化模式進行系統建模仿真，可以快速完成系統的設計。并且具有強大的代數、微分等模型系統的求解器[3]。 2) DSP Builder

DSP Builder是 Altera公司開發(fā)了基于 Simulink開發(fā)的 DSP設計工具。在 Simulink中作為一個工具箱出現。這樣使得用 FPGA設計DSP系統完全可以通過 Simulink的圖形化界面進行，只要簡單地進行 DSP Builder工具箱的模塊調用即可。從而使得一個復雜的電子系統設計變得相當容易而且直觀。同時加速了 FPGA實現DSP 的開發(fā)流程 [4]。

2.2 改進開發(fā)流程

采用上述 EDA設計工具使得在系統在設計階段，由系統工程師負責系統的模型設計，并且在軟件的輔助下，進行硬件描述語言的代碼自動生成，最終可以下載到 FPGA中檢驗設計效果。即將系統結構設計人員與 FPGA設計人員的工作合并從而改進的設計流程。如圖 2所示。 

 

 

設計流程的開始是系統結構設計人員基于 Simulink使用 DSP Builder工具箱提供的模塊建立系統模型。工具箱中的模塊涵蓋了算術和存儲功能，并且對其技術參數、數據格式、數據類型和總線寬度等屬性進行設置。系統模型設計完成后就進入仿真環(huán)節(jié)。這是基于系統的算法級仿真，設計者甚至不用關心目標硬件系統的屬性。如果仿真結果沒有得到預期設計的結果，可以很快通過修改模型進行調整。當仿真結束后使用 Signal Compiler模塊進行系統模型的 Simulink模型文件（.mdl文件）到硬件描述語言的轉換。這個過程將自動生成硬件描述語言的代碼。之后通過綜合以后產生出原子級網表文件（底層電路描述文件）。然后調用 Quartus II 的編譯器生成可以下載的門級網表文件，最后下載到 FPGA上就實現了 DSP系統的硬件化過程。操作流程如圖 3所示。 

 

3 實踐與分析

3.1 AM調制模型的 FPGA實現

3.2.1 AM調制原理

調制器與解調器是通信設備中的重要部件。所謂調制，就是用調制信號去控制載波某個參數的過程[5]。相關的術語如下：

調制信號：由原始信號轉變成的低頻信號，可以是模擬信號，也可是數字信號。通常用數學符號uΩ 表示。•

載波：未受調制的高頻震蕩信號。載波可以是正弦波也可以是非正弦波（方波、三角波、鋸齒波）。用uC表示。•

已調波：受調制后的振蕩波，具有調制信號的特征。•

設載波電壓為：

                      uC =UC cosωct （1）

調制電壓為：

                       uΩ= UΩ cos Ωt （2）

3.2.2 模型建立

基于本文上述的理論建立出 AM調幅模型。其中的兩個子系統分別是用上述的 DDS模型建立的載波與調制波模塊，在 Simulink中得到仿真結果如圖 4所示。 

 

3.2.2將模型文件轉化為硬件描述語言

當 DSP Builder模型與仿真都正確后就可以進入模型向硬件描述語言的過程了。加入Signal Compiler模塊，點擊執(zhí)行將模型文件轉化為硬件描述語言。轉換后 DSP Builder的Signal Compiler模塊會自動生成 Quartus II的工程，其中的代碼已經依據模型自動生成并建立了頂層模塊[6]。如圖 5。增加相應的輸入與輸出，鎖定引腳后就可以下載了。 

 

 

下載到 FPGA中，連接示波器，觀察到如圖 6所示圖像。 

 

4 結語

從實踐結果和系統的總體設計方案可以看出，改進的設計流程使得設計人員可以借助Simulink進行靈活的系統模型設計并且可以通過 MATLAB強大的計算能力進行系統級的仿真。由DSP Builder進行硬件描述語言的自動生成讓設計者可以更加專注于系統的整體設計，提高了開發(fā)效率和系統建立質量。