1、数字信号处理系统硬件实现方法研究摘 要数字信号处理是信息科学中近几十年来发展最为迅速的学科之一。相对于模拟信号处理而言，数字信号处理有很大的优势，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等方面。目前，数字信号处理技术在民用，军事，科研等方面都得到了极其广泛的应用。根据多年的研究，笔者分析了数字信号处理系统的优势，进而提出了数字信号处理系统硬件的实现方法，望能提供一些帮助。 关键词数字信号处理；优势；实现方法 中图分类号：TB559 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0154-01 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛运用于许多领域的新兴学科，它是利用计算机
2、或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处理一经问世，便吸引了很多学科的研究者，并把它应用于自己的研究领域。可以说，数字信号处理是应用最快、成效最为显著的新学科之一。在数字通信、雷达、遥感遥测、声纳、语音合成、图象处理、测量与控制、生物医学工程、振动工程等众多领域都获得了极其广泛的应用，它有效地推动了众多工程技术领域的技术改造和发展。而且随着科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。 一、数字信号处理系统的优势分析 数字信号处理之所以发展得这样快，应用得这么广，是与它的突出优点分不开的。归纳起来
3、，它有以下四个方面的优点： 1）精度高。模拟系统的精度主要取决于元器件的精度，一般模拟器件的精度达到 10-3 已很不容易。而数字系统的精度主要取决于字长，16位的字长可达 10-4 以上。 2）灵活性大。模拟信号装置一旦参数选定就不易改变，但是数字系统则不然，它的系数可调，甚至还可以具有可编程和自适应的能力。 3）可靠性高。由于数字系统只有“0” 、 “1”两个电平，使其受温度、环境以及噪声等的影响比模拟系统小。 4）时分复用。利用一套装置同时处理几个通道的信号。 二、数字信号处理系统硬件实现方法 数字信号处理的工作方式通常是：数据采集数据存储信号处理输出处理结果。随着数字信号处理理论的发展
4、，其所要求的运算量越来越大，并且在雷达、电子对抗、通信、图像处理等领域，人们对信号处理的实时性要求也越来越高。这就要求在信号处理过程中，减少数据存储的次数，缩短信号处理的时间，因此高速的、实时的数字信号处理技术成为发展的必然。人们运用各种方法使数字信号处理理论算法能够实现高速的、实时的处理。目前，数字信号处理的实现大体有以下几种方法。 1） 在通用的 PC 上用软件实现 近来迅速发展的 Matlab，就几乎可以实现所有的数字信号处理的仿真。Matlab 下的程序可以通过转换成 C 语言，并通过 DSP 的 C 编译器直接在 DSP 硬件上运行。但是这种方法速度太慢，不能用于高速实时系统。 2）
5、用通用的单片机来实现 单片机的接口性能比较好，容易实现人机接口。但是由于单片机大多采用冯?诺依曼结构，数据寻址和程序寻址不能同时进行，运算速度比较慢，尤其是乘法运算。这种实现方式一般用于计算量不是很大的场合，如数字控制等。 3）利用专用 DSP 芯片实现 现在国际上已推出不少专门用于 FFT、FIR 滤波、卷积等专用的芯片。如美国 TKW 公司 1990 年推出的超快单片 FFT 处理芯片 TMC2350，可以在 514us 内完成基 2 时间抽取法的 1024 点复数 FFT 运算。这种实现方式一般用于对速度要求很高的场合，但由于其功能专用，因此实现方法不灵活。 4）利用可编程的 DSP 芯
6、片来实现 DSP 芯片采用超哈佛结构，有多条独立的程序和数据总线，内部有硬件乘法器、累加器等，使用流水线结构，具有良好的并行特性，并且有专门设计的适于数字信号处理的指令系统，DSP 芯片具有更适于数字信号处理的优点。 5）利用 FPGA 等可编程逻辑器件实现 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。通过对逻辑器件的编程，利用硬件实现特定的数字信号处理算法。这种实现方法具有通用性的特点，并且可以实现算法的并行运算。由于 FPGA 基于逻辑门阵列的特殊硬件结构，FPGA
7、 还适于实现高速数字电路，例如高速的存储器接口。因此 FPGA 可以作为独立的数字信号处理器，也可以作为通用 DSP 芯片的协处理器。 6）DSP+FPGA 的实现方式 数字信号处理广泛应用于各种科学和技术领域中，在如今的数字信号处理中越来越重要的作用。随着信息技术、大规模集成电路和计算机的飞速发展，数字信号处理技术取得了快速的发展。尤其是专用数字信号处理器 DSP 和大规模可编程器件 FPGA 的发展更是促进了数字信号处理系统设计的快速发展。 在高速数字信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用 FPGA 进行硬件实现，这样能同时兼
8、顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的 DSP 芯片来实现。随着大规模可编程器件的发展，采用 DSP+FPGA 结构的信号处理系统显示出了优越性，正逐步得到重视。DSP+FPGA 最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于高速数字信号处理。 随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方向发展，其对电路的要求越来越高，因此，传统的单一功能的集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。这时候数字信号处理系统凭借其强大的功能优势，逐渐占据电子市场。 参考文献 1 祈业欣，孟宪元，吴建明.DSP 中 FPGA 实现的新思路.电讯技术，2001， （5）：35-38 2刘韬 ， 楼兴华 .FPGA 数字电子系统设计与开发实例导航 . 北京 ： 人民邮电出版社，2005：51-83 3吕宇，吴嗣亮.DSP+FPGA 实时信号处理系统中 FPGA 设计的关键问题.微计算机信息，2005， （5）：80-81 4靳鹏飞，向健勇，宗靖国.基于 DSP 和 FPGA 的实时信号处理系统设计.电子科技，2005， （10）：48-51
