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在项目中DSP 与FPGA 的比较与选择

作者：郎毅日期：2013-12-24 09:33 来源：《才智》

电子科技大学成都学院 611731

摘要: 本文首先详细的介绍了目前比较流行的几种DSP 技术，然后重点对通用DSP 技术和FPGA 技术进行了深入分析和比较，两者各具优点却各有短板，因此，如何在实际的工程项目中选取最优化的设计方案，本文将通过对案例的分析给出一些建议或答案。
关键词：DSP；FPGA; 比较；项目
1. 引言
当前，数字信号领域的一个热点研究，就是即数字信号处理（简称DSP）。它是一种将信号通过计算机或专用处理设备，“信号将以数字形式被经过采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、和识别等一系列处理”，最终变成符合人们需求的信号形式的一种技术。在面对不同的场合，DSP 的实现方案远远不止一种，本文将对此进行分析和比较，就如何在实际的工程项目中选取最优化的设计方案给出一些建议。
2. 常用DSP 技术解析
根据使用目的及应用场合的不同，可以将目前市场上流行的DSP 技术分为以下几种：
1）在通用PC 机上通过用计算机语言如C 语言编写专用的程序来实现。 2）用通用的单片机实现。虽然不太复杂的数字信号处理没法用这种办法来实现，但简单的比如数字控制这类数字信号处理就完全可以适用。此外由于其局限性在于普遍采用了冯诺依曼总线结构，因此在运算量大实时控制系统时，通用的单片机也会显得捉襟见肘。3）用专用DSP 芯片实现。优点是信号处理速度极高，而缺点是灵活性差，由于其通用性不足及高昂的成本，其并不适用于个人开发。 4）用通用的PDSP 可编程数字信号处理器实现。PDSP 适用于数字信号处理的软件开发，硬件资源的充分利用，更可用于复杂的数字信号处理算法。
3 .PDSP 与FPGA 的分析和比较
当前数字信号处理算法有两大主流实现技术，它们是通用PDSP 和FPGA，两者各有千秋，下面将通过比较两者的开发流程及在数字电路设计实例中的具体运用来加以对比分析。
通用PDSP 数字信号系统最典型的开发流程有五个步骤如下：
第一步是进行DSP 系统建模，建模软件很多，最常用的比如Simulink 建模组件建立雏形。
第二步是对雏形进行优化设计和仿真测试，比如调用MATLAB 工具，以获得满足功能要求；用仿真软件对DSP 算法进行测试，筛选出适应硬件特点的算法模型。
第三步是根据算法模型具体确定DSP 处理器数量并选择适合的型号，判定涉及的因素很多，比如目标系统有什么功能要求、技术指标有哪些、系统是否需要升级、成本大小等等，最后完成应用系统评估板的设计。
第四步是编写程序。这里的程序一般是指汇编语言程序、C、C++ 程序，编写语言种类的选择要考虑到MATLAB 算法模型的类型，同时也要与DSP 评估板的硬件结构想结合。
第五步将写好程序的系统在标准的开发环境中进行编译运行、仿真测试，最后通过硬件仿真器在应用板完成调试和仿真，至此， DSP 系统开发完成。
图1 FPGA 系统开发图
如图1 所示，几乎在同一流程中就可以完成全部FPGA 的开发步骤，严格意思来说，FPGA 系统真正实现了自上向下的设计理念，不论是DSP 系统的建模，还是系统级仿真；不论是设计模型向VHDL 硬件描述语言代码的转换，还是RTL 级功能仿真测试；不论是编码基于IP 核的适配和布局布线，还是时序实时仿真，甚至是对DSP 目标器件的编程配置，都是在这种自上而下的设计思路下完成的。
通过对比，不难看出上述PDSP 与FPGA 在仿真方面存在的差异是很明显的。前者在借助实时开发系统仿真时具有一定的实际意义，除此以外并不是很明显；而FPGA 的开发流程中有多个层次的仿真测试和硬件调试环节，以上五种测试环节中任何一处发现问题，都可以随时修正和排除，因此FPGA 开发更为灵活。
下面提供了2 个数字电路设计例子，有助于理解前面介绍的方案的在选择时应遵循的原则。
1）适用于FPGA 的例子。典型的用于无线数据接收机常常选用加速度为500 ～ 1000MHz，取样率为50 ～ 100MHz 的5 步CIC 抽样滤波器，这样的抽样滤波器寄存器和加法器一般均为10 个左右，在这一速率下任何的DSP 处理器将很难实现，然而选用FPGA 来实现就显得更合适不过了。
2）适用于PDSP 的例子。IEEE1394 是一种有很复杂、大量的C 代码的实现通信堆栈协议ISDN。这样的结构如果用FPGA 就会发现非常不适用，但是用PDSP 来实现却很简单。后者可以保留一个信号编码基数，并且可以使代码堆栈在某一特定产品的DSP 上来实现，或在另一块PDSP 上通过分离的协议处理器来实现。
4 . 总结
在当今要求苛刻的数字信号处理系统设计和开发中，FPGA 方案更多的适用于高速采样频率的应用，尤其是任务固定、内容重复的应用；而PDSP 方案更多的适用于较低的取样速率和有很高复杂度的软件问题的情况，总体而言，两者分别代表着两种数字系统的信号处理的过程，两者各有千秋。
参考文献：
[1] 褚振勇, 屈丹, 门向生. 利用FPGA 实现数字信号处理[J]. 电讯技术,2010．