FPGA用做数字信号处理应用

FPGA平台多元化

几年前，FPGA供应商就开始为高性能应用提供DSP增强的FPGA。赛灵思公司的Virtex-DSP系列就是此类FPGA中的典型例子。今天，FPGA供应商正在推出新的低成本FPGA系列产品来扩充产品线。例如，赛灵思公司刚刚推出了Spartan-DSP系列。

做为两种产品组合中新增加的成员，Virtex-5 SXT和Spartan-3A DSP平台瞄准不同的应用。Virtex-5 SXT平台有三种器件可供选择，主要面向要求超高DSP带宽和更低系统成本的下一代无线、国防和多媒体视频应用。这些FPGA器件在550MHz时钟下提供了超过350GMAC/s(即每秒3500亿乘法累积运算)的性能。65-nm Virtex-5 SXT则集中于高性能，值得一提的是比此前的90nm产品消耗的动态功耗低35%。

Spartan-3A DSP是赛灵思产品线中的最新成员，也是第一款DSP优化的Spartan FPGA.Virtex-5 SXT主要集中于性能，而Spartan-3A DSP则致力于价格、性能和功耗的平衡。Spartan-3A DSP平台以低于30美元的批量生产起价提供了超过30GMAC/s的性能和高达2,200Mbps的存储器带宽。这一突破性的性能价格比使其可用于以下应用：单通道微小型(pico-cell)无线基站中的数字前端(DFE)和基带解决方案、军用移动软件无线电(SDR)、超声系统、高分辨率视频和智能IP相机。

如图5所示，DSP或高端FPGA无法满足很多此类应用的需要。因此Spartan-3A DSP这样的新器件为DSP技术打开了新市场。



图5：Spartan-DSP系列了填补DSP和高端FPGA之间的鸿沟。   

前景展望

随着FPGA供应商对DSP应用关注的加大，其面向DSP的产品已经不仅仅是提供FPGA器件。例如，赛灵思公司于2000年启动了“XtremeDSP”计划，旨在为通信、多媒体和国防行业提供应用优化的DSP解决方案。XtremeDSP方案包括：
1. 不断扩展为DSP设计提供的高性能器件产品线。
2. 提供开发板和开发套件、参考设计和知识产权(IP)。
3. 推出用于不同DSP系统设计的方法和设计开发工具。
4. 提供相关的可编程逻辑、连接功能和嵌入式处理功能。
5. 建立提供培训和支持的业界和大学战略合作伙伴关系。

DSP设计工具充分发挥FPGA威力

开发工具特别关键，因此没有强大的开发工具就无法充分发挥FPGA的潜力。对于FPGA工具和设计方法来说，需要关注三类不同的设计人员群体：系统设计师、DSP工程师以及FPGA/硬件工程师。每一类设计人员有不同的职责分工，从而对他们所使用的特定设计环境提出了要求。系统设计师必须快速确定如何在选择的处理资源条件下最好地划分不同的系统级功能。他们关注的重点是选择适当的FPGA产品来满足产品性能和吞吐能力要求，同时满足尺寸、成本和功耗方面的预算。DSP工程师更关注DSP算法的创建和改进。他们通常不熟悉硬件设计细节，要依赖工具将细节抽象掉，这样他们才能够更专注于更高层的设计探索和验证。硬件工程师通常采用VHDL或Verilog来从设计中获得最高的性能。他们通过需要在同一设计环境中与更高层功能模块以及自己的寄存器传输级(RTL)设计协同工作的能力，并且可以运行测试基准进行功能和性能验证。

现代FPGA设计工具可满足所有三类设计群体的要求，在单个设计环境中提供了系统建模、算法开发和试验、测试基准向量自动生成、设计验证和调试、以及HDL生成和仿真等功能。无论设计人员使用C/C++、MATLAB、Simulink、HDL还是他们的任意组合，当今的FPGA设计工具(包括EDA合作伙伴提供的第三方工具)都能够支持他们快速高效地充分发挥FPGA的所有潜力。

本文小结

在当今要求最苛刻的数字信号处理(DSP)系统设计和开发中，FPGA扮演着越来越重要的角色，这一点并非偶然。经过二十多年的研究和工程努力，以及与数百DSP客户的密切合作，赛灵思FPGA已经演化为无与伦比的高价值DSP解决方案平台，在性能、灵活性、上市时间以及产品寿命方面都提升到了极高水平，同时还大大降低了总体系统成本和功耗。

因此，如果您是从事高性能DSP系统相关工作的设计师，就需要问一下自己，“我的DSP解决方案视野里是否包括FPGA？”如果您的DSP设计正面临性能压力，需要降低功耗和成本，或者要加快速度赶上进度，可能我们可以好好谈谈。