1.3 FPGA在数字信号处理中的应用

现代数字信号处理技术的实现平台主要有ASIC、DSP、CPU及FPGA四种。随着半导体芯片生产工艺的不断发展，四种平台的应用领域已越来越呈现相互融合的趋势，但因各自的侧重点不同，依然有各自的优势及鲜明特点。关于对四者的性能、特点、应用领域等方面的比较分析一直都是广大技术人员及专业杂志讨论的热点之一。相对而言，ASIC只提供可以接受的可编程性和集成水平，通常可为指定的功能提供最佳解决方案；DSP可为涉及复杂分析或决策分析的系统提供最佳可编程解决方案；CPU在需要嵌入式操作系统、可视化显示等领域得到广泛应用；FPGA可为高度并行或涉及线性处理的高速信号处理提供最佳的可编程解决方案。

任何信号处理器件性能的鉴定必须包括评估该器件是否能在指定的时间内完成所需的功能。这类评估中一种最基本的测量方法就是1024点快速傅里叶变换（FFT）处理时间的测量。考虑一个具有16个抽头的简单FIR滤波器，该滤波器要求在每次采样中完成16次乘积和累加（MAC）操作。TI公司的TMS320C6203 DSP具有300MHz的时钟频率，在合理的优化设计中，每秒可完成4亿次至5亿次MAC操作。这意味着基于TMS320C6203 DSP的FIR滤波器具有最大为3100万次每秒采样的输入速率。但在FPGA中，所有16次MAC操作均可并行执行。对于AMD的Virtex系列FPGA，16位MAC操作大约需要配置160个结构可重置的逻辑块（CLB），因此16个并发MAC操作的设计实现将需要大约2560个CLB。XCV300E可轻松地实现上述配置，并允许FIR滤波器工作在每秒1亿个样本的输入抽样频率下。

目前，无线通信技术的发展十分迅速。无线通信技术发展的理论基础之一是软件无线电技术，而数字信号处理技术无疑是实现软件无线电技术的基础。无线通信技术一方面正向语音和数据综合的方向发展；另一方面，在手持PDA产品中越来越多地需要综合移动技术。这一需求对应用于无线通信中的FPGA提出了严峻的挑战，其中最重要的三个方面是功耗、性能和成本。为适应无线通信的发展需要，FPGA系统芯片（System on Chip，SoC）的概念、技术、芯片应运而生。利用系统芯片技术将尽可能多的功能集成在一片FPGA上，使其具有速率高、功耗低的特点，不仅价格低廉，还可以降低复杂性，便于使用。

实际上，FPGA的功能早已超越了传统意义上的胶合逻辑功能。随着各种技术的相互融合，为了同时满足运算速度、复杂度，以及降低开发难度的需求，目前在数字信号处理领域及嵌入式技术领域，FPGA加CPU的配置模式已浮出水面，并逐渐成为标准的配置模式。全球最大的两家FPGA厂商——Intel和AMD，均推出了各自的嵌入了CPU核的FPGA及开发软件。AMD于2010年在其28nm工艺的FPGA上嵌入了ARM Cortex-A9内核，紧接着Intel宣布在其28nm FPGA上嵌入了ARM Cortex-A9、MIPS32等内核。这也直接推动嵌入式设计跨入了新的设计时代。 veu2tqqZ3IXUTRanFIY3VViltpTTJ3Dy7EVFokbgQfPHjvCPIz8oaVxuNx0E4JRl