基于FPGA下智能儀表信號處理的分析

任家峪　孫蓓蓓

摘要：傳統(tǒng)的DSP處理器在進(jìn)行信號處理的時候，會花費(fèi)較多的成本，造成較大的系統(tǒng)功耗，需要應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）完成DSP任務(wù)。基于此，本文從FPGA的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，分析了基于FPGA的智能儀表信號處理，F(xiàn)PGA能夠提升復(fù)數(shù)乘法、數(shù)字濾波器以及傅里葉變換的信號處理能力，使信號處理設(shè)備具有更優(yōu)異的性能，成本與系統(tǒng)功耗有顯著的降低。

關(guān)鍵詞：FPGA；智能儀表；信號處理

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0073-02

基于FPGA的信號處理設(shè)備獲得了廣泛的應(yīng)用，大量的FPGA產(chǎn)品應(yīng)用于智能儀表中，比如，路由器、無線基站以及調(diào)制器等。FPGA具備較強(qiáng)的靈活性，能夠幫助技術(shù)人員開發(fā)出多樣化的產(chǎn)品，還能夠自動進(jìn)行重配置，以此滿足不同協(xié)議的需求。因此，對于基于FPGA下智能儀表信號處理的分析是很有必要的。

1 FPGA概述

FPGA是指現(xiàn)場可編程門陣列，是除了CPLD以外，另一種用于大規(guī)?？删幊踢壿嫷腜LD器件，主要通過基于SRAM的LUT邏輯形式結(jié)構(gòu)，通過SRAM形成一個邏輯函數(shù)發(fā)生器。具體而言，F(xiàn)PGA包括以下結(jié)構(gòu)：

第一，邏輯單元。在FPGA結(jié)構(gòu)中，邏輯單元屬于最小的單元，能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA的邏輯功能。每個邏輯單元都由四個輸入的LUT、一個可編程觸發(fā)器、進(jìn)位鏈以及級聯(lián)鏈組成。其中，LUT是函數(shù)發(fā)生器，可以實現(xiàn)四個輸入一個輸出的所有邏輯函數(shù)；可編程觸發(fā)器能夠設(shè)置成為D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或者SR觸發(fā)器這四種；進(jìn)位鏈能夠為高速計算器以及加法器的應(yīng)用提供支持；級聯(lián)鏈能夠保障多輸入邏輯函數(shù)的有效計算。

第二，邏輯陣列。在FPGA結(jié)構(gòu)中，邏輯陣列由八個邏輯單元、邏輯陣列的控制信號以及局部互連組成。邏輯陣列形成的“粗粒度”結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)EDA的布線以及布局，有效提升各個器件的性能。

第三，快速通道。在FPGA結(jié)構(gòu)中，快速通道主要用于連接邏輯單元和I/O引腳，通過水平走向與垂直走向形成連續(xù)式布線通道。這種布線通道能夠準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)計復(fù)雜器件的延時性能。與此同時，有些FPGA結(jié)構(gòu)會應(yīng)用分段式連線通道，這種通道的邏輯布線工作更為簡單，但是延時性能的預(yù)測結(jié)果得不到保障。

第四，嵌入式陣列塊。在FPGA結(jié)構(gòu)中，嵌入式陣列塊是指輸入口和輸出口位置安裝有寄存器的RAM塊，包括多個嵌入式RAM單元。如果需要應(yīng)用到存儲器相關(guān)功能的時候，嵌入式陣列塊能夠提供2048個位，每一個LAB均具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，共同進(jìn)行信號的輸入和控制。與此同時，嵌入式陣列塊不僅可以形成RAM、FIFO以及ROM等功能塊，還可以進(jìn)行計算器、DSP以及乘法器等多種復(fù)雜邏輯的計算，在計算的過程中，每個嵌入式陣列塊可以提供一百到六百個等效門[1]。

2 基于FPGA下智能儀表信號處理

2.1 復(fù)數(shù)乘法在信號處理中的應(yīng)用

復(fù)數(shù)運(yùn)算能夠用于多種智能儀表的信號處理，能夠體現(xiàn)出智能儀表信號處理設(shè)備的性能，特別是復(fù)數(shù)乘法，可以體現(xiàn)出智能儀表信號處理中的復(fù)數(shù)運(yùn)算能力。對于智能儀表而言，與DSP-24類似的元器件會在100ns內(nèi)進(jìn)行24×24位復(fù)數(shù)乘積，兩個操作數(shù)的虛實部全都是24位精度，復(fù)數(shù)乘積算法需要進(jìn)行四次實數(shù)乘法、一次加法以及一次減法。通常來說，一個滿精度的24×24實數(shù)乘法器會占用348個邏輯片，將四次實數(shù)乘法計算的結(jié)果進(jìn)行加法與減法，共需要48個邏輯片，由此可以計算出，復(fù)數(shù)乘法共需要4×348+48=1440個邏輯片，大約為Virtex XCV1000 FPGA提供資源的12%。FPGA不僅可以為復(fù)數(shù)乘法提供實現(xiàn)其算法功能的邏輯結(jié)構(gòu)，還會為復(fù)數(shù)乘法提供足夠的I/O帶寬，分為片上數(shù)據(jù)傳輸帶寬、片下數(shù)據(jù)傳輸帶寬以及算術(shù)單元等多種部件間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

一般來說，軟件信號處理器執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法的效率非常高，250MHz的DSP芯片會在每個時鐘周期內(nèi)實施兩次16×16的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，也就是說，每2ns就會出現(xiàn)一個新的乘積。而FPGA的性能要更加優(yōu)異，基于FPGA下智能儀表信號處理能夠支持160MHz的頻率，每1.56ns就能夠出現(xiàn)一個新的乘積[2]。

2.2 數(shù)字濾波器在信號處理中的應(yīng)用

作為信號處理器的基本構(gòu)件，F(xiàn)IR濾波器的實現(xiàn)主要通過信號處理芯片來實現(xiàn)。根據(jù)目前的研究狀況，基于FPGA的硬件系統(tǒng)，能夠提升濾波器的信號處理能力，由此開發(fā)出FPGA多速率濾波器。該設(shè)備主要通過分布式算法得出多相十進(jìn)制編碼器，各個多相分段都能夠看做是獨(dú)立的DA過程，并行運(yùn)行，共同形成一個能夠支持特高輸入采樣率的多速率濾波器。其中，多相差值器主要通過并行MAC方法或者分布式算法來解決不同的問題。對于數(shù)字接收機(jī)而言，信號與載波的同步和自動增益的有效控制全部都需要控制回路來實現(xiàn)，而多相差值器能夠在回路中進(jìn)行信號采樣相位的調(diào)整，并據(jù)此驅(qū)動差值器的跟蹤回路。雖然多相差值器能夠支持多個相位，但是僅有幾個分段部分能夠運(yùn)行，需要依靠預(yù)置MAC的方法，將濾波器需要的系數(shù)集導(dǎo)入到一個或者多個MAC中，為內(nèi)積的計算提供便利。

除此之外，還可以通過CIC方法實現(xiàn)FPGA多速率濾波器的運(yùn)轉(zhuǎn)，因為CIC方法需要通過寄存器、加法器以及減法器進(jìn)行算法的運(yùn)算，F(xiàn)PGA能夠在這些算法運(yùn)算方面具有較高的效率。

2.3 傅里葉變換在信號處理中的應(yīng)用

和FIR濾波器相同，離散傅里葉變換在信號處理器中的應(yīng)用也較為廣泛，離散傅里葉變換主要通過快速傅里葉變換來完成。在智能儀表中，快速傅里葉變換能夠提取信號傳輸信道的特點，實現(xiàn)帶寬資源的最大化利用。通常來說，在OFDM中，快速傅里葉變換算法能夠作為發(fā)送端的調(diào)制器，也能夠作為接收端的解調(diào)器。在應(yīng)用快速傅里葉變換算法的時候，DSP會在66μs對16位精度復(fù)數(shù)采樣進(jìn)行1次1024點的復(fù)數(shù)快速傅里葉變換算法。在某種特定的情況下，還會增加9μs進(jìn)行位反向置換。但是基于FPGA，同樣的快速傅里葉變換算法能夠在41μs內(nèi)實現(xiàn)復(fù)數(shù)計算以及位反向置換。

在進(jìn)行FPGA DSP與其他DSP比較的時候，I/O帶寬是非常重要的參數(shù)。對于FPGA而言，除了專用的引腳之外，大部分引腳都能夠為用戶所用，這種功能使得FPGA在進(jìn)行信號處理時，I/O帶寬具備十分優(yōu)異的性能，使信號并行處效率更高?；贔PGA，智能儀表中存在獨(dú)立的輸入存儲模塊、工作存儲模塊以及結(jié)果緩存模塊，能夠保障I/O和傅里葉變換運(yùn)算同時進(jìn)行。由此可以看出，在41μs的時間內(nèi)，涵蓋了信號輸入、信號處理以及信號輸出。因此，基于FPGA，使用快速傅里葉變換算法進(jìn)行信號處理，能夠真正實現(xiàn)并行處理，提高了智能儀表信號處理的效率與準(zhǔn)確度[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，基于FPGA的信號處理設(shè)備能夠提升信號處理的效率與準(zhǔn)確率，需要進(jìn)行推廣應(yīng)用。分析可得，通過對基于FPGA下智能儀表信號處理的分析可知，技術(shù)人員在應(yīng)用復(fù)數(shù)乘法、FIR濾波器以及傅里葉變換進(jìn)行智能儀表信號處理的時候，可以應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陣列，提升信號處理的效率，保障信號處理的準(zhǔn)確率。本文的然就仍舊存在不足之處，僅供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王志杰.智能儀表遠(yuǎn)程通信信號中斷故障處理[J].設(shè)備管理與維修，2016，（01）：45-46.

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[3]邵聯(lián)合，曲衛(wèi)冬.基于AVR單片機(jī)的智能儀表信號采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2010，17（04）：48-50.