FPGA為DSP應(yīng)用提供的可重配置解決方案

　信號(hào)處理是連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字運(yùn)算世界的橋梁。隨著用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的算法變得日益復(fù)雜，對(duì)這些算法的性能要求呈指數(shù)上升。針對(duì)成本敏感的大批量設(shè)備，比如蜂窩電話、機(jī)頂盒和電腦圖形卡等，這一要求正在大力推動(dòng)非常特殊的特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的開發(fā)。然而對(duì)許多其它設(shè)備來說，實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字信號(hào)處理的唯一選擇是通用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及最新的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。
　　這些設(shè)備中有許多是采用DSP實(shí)現(xiàn)的。雖然DSP可以通過軟件進(jìn)行編程，但DSP硬件架構(gòu)很不靈活。DSP的性能受很多固定硬件架構(gòu)的限制，如總線性能瓶頸、固定數(shù)量的乘法累加（MAC）模塊、固定存儲(chǔ)器、固定硬件加速模塊和固定數(shù)據(jù)帶寬等。因此DSP的這種固定硬件架構(gòu)對(duì)于許多要求定制DSP功能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用來說并不適用。
　　FPGA可以為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DSP應(yīng)用提供可重配置解決方案，并能比DSP提供更高的吞吐量和原始數(shù)據(jù)處理能力。由于FPGA的硬件是可配置的，因此它能在提供完整的硬件定制功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用。用FPGA實(shí)現(xiàn)的DSP系統(tǒng)可以具有定制的架構(gòu)、定制的總線結(jié)構(gòu)、定制的存儲(chǔ)器、定制的硬件加速模塊和可變數(shù)量的MAC模塊。
　　自從新千年伊始，F(xiàn)PGA就已經(jīng)擁有了專用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能。過去六年來，F(xiàn)PGA提供的DSP性能已經(jīng)提高了16倍之多，達(dá)到每秒500千兆次乘法-累加操作（GMACS）。在相同時(shí)期內(nèi)，數(shù)字信號(hào)處理器的性能只從1.6GMACS提高到了目前的8GMACS。許多設(shè)備只需要少量的DSP性能，相當(dāng)于類似Altera公司Cyclone II的FPGA提供的性能。不過，對(duì)于要求許多數(shù)字信號(hào)處理器的高性能設(shè)備來說，單個(gè)Altera Stratix III FPGA也能替代這些處理器，從而不僅能夠提供超過等效的DSP性能，還能顯著地減少系統(tǒng)功耗、以及電路板面積和成本。
　　對(duì)高性能DSP需求的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力來自無線通信基礎(chǔ)設(shè)施、視頻廣播設(shè)備、醫(yī)療成像和軍事應(yīng)用。FPGA已經(jīng)成為能夠滿足這些要求的首選可編程DSP平臺(tái)。
　　第三代通信基站平臺(tái)是需要使用大量DSP的系統(tǒng)之一，它包括了一塊射頻卡和一塊通道卡以及兩個(gè)主處理區(qū)。第三代無線通信產(chǎn)品大部分是寬帶產(chǎn)品，因此其射頻元件通常工作在線性范圍之外。先進(jìn)的算法有助于滿足遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器能力的處理要求。無線基礎(chǔ)設(shè)施中的主要設(shè)備現(xiàn)主要依靠FPGA實(shí)現(xiàn)射頻線性化處理。
　　
　　圖1：近年來FPGA與DSP性能的演變情況。
　　FPGA成為首選處理平臺(tái)的另外一個(gè)領(lǐng)域是WiMAX基帶處理設(shè)備，它所采用的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的巨大運(yùn)算要求只能用特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）或FPGA才能滿足。由于ASIC太貴，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很大，因此FPGA成為了WiMAX市場(chǎng)的贏家。
　　使FPGA成為DSP領(lǐng)域理想解決方案的關(guān)鍵性能是什么？大量的乘法器、高的片上存儲(chǔ)器帶寬、大量I/O帶寬以及由于可編程邏輯帶來的獨(dú)特且完全靈活的FPGA架構(gòu)都確保了沒有其它可編程技術(shù)可以提供相同的DSP性能。與其它半導(dǎo)體解決方案相比，F(xiàn)PGA可以在更低的功耗下提供最高性能的可編程DSP功能，同時(shí)還能降低系統(tǒng)成本和減小電路板面積。
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以用一片或幾片F(xiàn)PGA開發(fā)出一塊原本要數(shù)十塊DSP和可能多塊電路板才能實(shí)現(xiàn)的電路板。因?yàn)镕PGA支持在相同封裝內(nèi)的縱向移植，因此可以在無需多電路板設(shè)計(jì)的條件下很容易將單板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)從低端功能升級(jí)到最高功能。這種靈活性是很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軠p小產(chǎn)品線工程設(shè)計(jì)和驗(yàn)證成本。