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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）1FPGA 在信号处理中的应用1. 前言数字信号处理是利用计算机或数字信号处理器等设备，以数字形式对信号进行采集、变化、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，已得到符合需要的信号形式 。1图 1-1 是经典数字信号处理系统的整体框图。 是原始信号， 是经)(tx)(ty过处理后的输出信号，两者之间的部分是信号转换和信号处理的通道。其中的低通滤波器 I 又称为抗混叠滤波器，其作用是将高于 ADC 采样频率一半的信号频率分量滤除，防止采样后产生信号的频率混叠。随后，信号经采样和ADC 后，变成数字量 。数字信号处理模块对 进行处理，得到输出信)(nx)(nx号 ，经
2、DAC 变成模拟信号送到低通滤波器 II。这个滤波器是平滑滤波器，)(ny滤除 DAC 后的高频分量，得到比较纯净的模拟信号 。)(tyA/D C D/A CI Ix(t) x(n) y(n) y(t)图 1-1 数字信号处理系统整体框图Fig.1-1 Overall diagram of digital signal processing system上图中的数字信号处理模块无疑是该系统的核心部分。信号处理模块的核心器件一般可以选择计算机，专用集成芯片 ASIC，通用微处理器 DSP 以及现场可编程门阵列 FPGA 等。最近几年来，随着 FPGA 性能的提高和价格的降低，它已经成为数字信号处
3、理系统的核心器件，它的高速并行处理能力是其他处理模块所无法匹敌的。然而，数字信号处理开发人员往往熟悉使用 Matlab 或C/C+语言来进行系统建模，而对 FPGA 开发所需的硬件描述语言 HDL 比较陌生，如何将两种方法结合，具有一定的挑战性 。2System Generator 就是为实现使用 Matlab 或 C/C+环境开发 FPGA 而产生的。它能够在 Matlab/Simulink 提供的环境中对所需的硬件系统进行图形化建模，扩展了传统的 HDL 的设计方式，提高了开发效率。另外，System FPGA 在信号处理中的应用2Generator 可以直接将 Simulink 创建的图
4、形化系统转化为 ISE 的工程，大大减少了开发时间，降低了出错率。本文通过比较数字系统设计传统方法和 System Generator 开发的特点，展示了后者的优越性。并且应用该方法设计验证了一套软件无线电中频接收机系统中数字下变频系统。青岛科技大学本科毕业设计（论文）32. 数字信号处理系统设计方案比较2.1 基于 FPGA 的传统数字系统设计方法传统的数字系统设计需要使用 Matlab 或者 CC+语言对系统模块进行描述，然后根据系统级模型使用硬件描述语言完成硬件寄存器传输级的实现。可以用图 2-1 中的流程图来概括这种开发过程：MatlbC+HDL FPGA图 2-1 基于 FPGA 的
5、传统数字系统开发流程图Fig.2-1 Flow chart of traditional digital signal processing system development based on FPGA容易看出，传统的设计方法存在很大的弊端：使用 Matlab 或 CC+环境建立的系统级模型的正确性，并不能保证将其转化为 HDL 产生的 RTL 级模型的正确性。这种转化不仅要求开发人员同时具有良好的 M 或 CC+语言的开发能力，并且会耗用大量的时间，更重要的是，这种由高级语言模型到硬件描述语言模型的转化有时候是很难甚至根本无法实现的。2.2 基于 System Generator 的数字
6、系统设计方法使用 System Generator 可以避免传统方法中的弊端。2.2.1 System Generator 概述FPGA 在信号处理中的应用4System Generator 是 Xilinx 公司的系统级建模工具，继承了 Simulink 的模块化建模方式及其动态系统建模、仿真、和分析功能，同时,它还可以将功能模块定义的系统参数映射为硬件实现中的实体、结构、端口、信号和属性，并能够自动生成 FPGA 综合、仿真和实现工具所需的命令文件。由此可见，System Generator 是数字信号处理系统设计与 Xilinx FPGA 实现之间的“桥梁” 。32.2.2 使用 Sys
7、tem Generator 的基本概念 52.2.2.1 System Generator BlocksetSystem Generator Blockset 是 Simulink 中的一个专用库，包裹 Xilinx 所有专用 DSP 模块，是 System Generator 设计中必须用到的模块。可以在 Simulink库浏览器窗口看到，与 System Generator 有关的库包括 Xilinx Blockset、Xilinx Preference Blockset 和 Xilinx XtremDSP Kit，其中 Index 包括所有的 Xilinx Blockset 块，共有超过
8、 90 种不同的 DSP 功能块用于构建系统。2.2.2.2 FPGA 边界设计FPGA 是基于定点数的实现方式，而 Simulink 的基本模型设计基于浮点数，因此在 System Generator 设计中必须包含浮点数到定点数的转换模块。 Gateway In 和 Gateway Out 模块即完成上述功能，所以在 System Generator 设计中必须包含这两个模块。Gateway In 模块将全精度浮点数转换成 Xilinx 下的信号类型（定点数），Gateway Out 模块将仿真的定点结果转换成浮点数。Gateway In 和 Gateway Out模块的中间部分为全定点数
9、运算模块，可映射为硬件实现单元，故从某种意义上说，Gateway 两个模块定义了 FPGA 的边界。2.2.2.3 System Generator 图标每一个 System Generator 设计中必须至少包含一个 System Generator 图标，双击该图标可以修改 FPGA 实现属性，包括目标板、VHDL/Verilog 语言选择、系统时钟周期等。System Generator 图表中列出了当前系统设计中的所有可配置属性，修改选项设置，点击 Generate 按钮即可完成硬件实现过程。2.2.2.4 Matlab 构造仿真数据Simulink 是基于 Matlab 的高层模型化
10、设计，所以允许使用 Matlab 语言产生数据源和对仿真结果进行分析处理。在 Source libraries 和 Sink libraries 库中可以选择使用 From Workspace 和 To Workspace 模块，这两个模块常用作青岛科技大学本科毕业设计（论文）5Simulink 工程中数据源的产生。数据源作为二维矢量（第一列为仿真时间，第二列为相应的数据源），这种设计方法在 System Generator 设计中非常流行。2.2.3 使用 System Generator 的开发流程使用 System Generator 进行 FPGA 开发的流程如图所示 2-2 所示：S
11、imulinkSystem GenratorXilnx DSPXilnx CoreGn EDK-Xilnx FPGAFPGA.mdlE Export TolTiming AnalysiHardware Co-simulationNetlist Testbench BitsreamBitsream图 2-2 基于 System Generator 的数字系统开发流程图Fig.2-1 Flow chart of digital signal processing system development based on System Generator（1）首先使用 Matlab/Simulink
12、进行系统级算法的仿真建模，产生 .mdl 工程文件。（2）在 System Generator 图表中选择硬件配置属性。（3）点击 System Generator 图标的 Generate 按钮，进行自动代码生成。（4）根据（3）选择的目标代码（Netlist、Bitstream、EDK Export Tool、 Hardware Co-simulation 和 Timing Analysis 5 种代码）进行硬件实现、验证或继续开发。FPGA 在信号处理中的应用63. 软件无线电及其组成软件无线电是近年来提出的一种实现无线通信的新思路，核心思想是构建一个开放性、标准化、模块化的硬件平台，而
13、通过软件的加载来实现诸如工作频段、调制类型、数据格式、加密格式等各种通信模块的功能。之所以选择软件无线电作为使用 System Generator 开发基于 FPGA 的数字信号处理系统，不仅仅因为软件无线电广阔的应用前景，还因为它的结构和开发过程，完整的体现了 System Generator 的各个常用模块的使用方法和使用技巧，展现了它开发数字系统的强大优势。3.1 软件无线电的概念软件无线电我们是这样来定义的(Software Defined Radio，简称 SDR)：采用数字信号处理（DSP）技术，在具有可编程性的可控制的通用硬件平台上，利用软件编程来去实现无线电台的各种功能，包括前
14、端部分的接收、中频信号的处理和信号基带处理等。也就是对整个无线电台从高频、中频、基带信号控制直到控制协议全部用软件的形式编程来实现。其主要核心思想是在尽可能靠近天线的部分使用宽带的模拟或者数字转换器件，即 AD 转换器件，完成信号的离散化也即数字化，从而使无线电台的功能最大程度的使用软件编程实现。软件无线电可以说是一种基于数字信号处理芯片，以软件为核心的无线通信体系结构 。4软件无线电并不是指软件编程组成而不需要硬件部分，指的是把硬件作为一个基本的操作平台，这个平台具有模块化、标准化和以总线方式连接三个特点。一个典型的软件无线电可以把硬件部分划分成多个层：射频、中频、基带、信源和信令等，这些层
15、具有模块化的结构，层与层之间的连接是通过数据总线和控制总线来实现的。软件无线电的最终目的是要使通信系统彻底的摆脱硬件结构束缚，是一种很开放的体系结构。对研制的开放性、对生产的开放性和使用的开放性给科研部、厂家和用户带来了极大的有利好处 。43.2 软件无线电结构及设计方案的选择软件无线电主要由三部分组成，即用于射频信号变换、位于 A/D 之前，D/A 之后的射频处理（含天线）前端；高速 A/D、D/A;以及位于 A/D、D/A 之间的数字信号处理单元三部分。青岛科技大学本科毕业设计（论文）7根据对信号进行带通采样的方式不同，主要有以下三种设计结构可供选择：3.2.1 射频低通采样 SDR 结构该方案是理想的软件无线电设计方案，如图 3-1 所示： ADCDAC-ADC-DACor图 3-1 理想软件无线电结构框图Fig.3-1 Structure of ideal software
