在Matlab中實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信FPGA硬件設(shè)計(jì)

　　近年來,在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)、視頻和圖像處理領(lǐng)域,FPGA已經(jīng)成為高性能數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵元件.FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)不僅包括查找表、寄存器、多路復(fù)用器、存儲(chǔ)器,而且還有快速加法器、乘法器和I/O處理專用電路.FPGA具有實(shí)現(xiàn)高性能并行算法的能力,是構(gòu)成高性能可定制數(shù)據(jù)通路處理器(數(shù)字濾波、FFT)的理想器件.如Virtex-II Pro FPGA包含高性能的可編程架構(gòu)、嵌入式PowerPC處理器和3.125Gbps收發(fā)器等.

　　但是,FPGA在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受限于幾個(gè)因素.首先,DSP開發(fā)人員不熟悉硬件設(shè)計(jì),尤其是FPGA.他們使用Matlab驗(yàn)證算法,運(yùn)用C語言或匯編語言編程,通常不會(huì)使用硬件描述語言(VHDL或Verilog)實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì).其次,雖然VHDL語言也提供了許多高層次的語言抽象,但是基于并行硬件系統(tǒng)的VHDL程序設(shè)計(jì)與基于微處理器的串行程序設(shè)計(jì)有很大的不同.

　　基于以上原因,Xilinx公司開發(fā)了基于Matlab的System Generator for DSP工具.System Generator for DSP是Simulink中一個(gè)基于FPGA的信號(hào)處理建模和設(shè)計(jì)工具.該工具可以將一個(gè)DSP系統(tǒng)表示為一個(gè)高度抽象的模塊,并自動(dòng)將系統(tǒng)映射為一個(gè)基于FPGA的硬件方案.重要的是,該System Generator for DSP實(shí)現(xiàn)這些功能并沒有降低硬件性能.

　　1 System Generator for DSP的特點(diǎn)

　　Simulink為DSP系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的高層次建模環(huán)境,可大量應(yīng)用于算法開發(fā)和驗(yàn)證.System Generator for DSP作為Simulink的一個(gè)工具箱很好地體現(xiàn)了這些特性,同時(shí)又可以自動(dòng)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為可綜合的高效硬件實(shí)現(xiàn)方案.該硬件實(shí)現(xiàn)方案忠實(shí)于原始設(shè)計(jì),因此設(shè)計(jì)模型與硬件實(shí)現(xiàn)在采樣點(diǎn)(在Simulink中定義)是一一對(duì)應(yīng)的.通過使用Xilinx精心設(shè)計(jì)的IP(intellectual property)核可以使硬件方案具有較小的延遲和體積.雖然System Generator中的IP模塊是經(jīng)過功能抽象的,但是對(duì)于熟悉FPGA的設(shè)計(jì)者來說,該模塊也具有直接訪問底層硬件細(xì)節(jié)的能力.例如,可以指定System Generator乘法器模塊使用Virtex-II系列FPGA中的專用高速乘法器元件,用戶定義的IP模塊也能夠作為黑盒子插入系統(tǒng)之中,等等.

　　使用System Generator for DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有:

　　●在Simulink中實(shí)現(xiàn)FPGA電路的系統(tǒng)級(jí)建模,并自動(dòng)生成硬件描述語言.

　　●自動(dòng)生成Modelsim測試程序,支持軟硬件仿真.

　　●支持用戶創(chuàng)建的Simulink模塊.

　　●使用Xilinx FPGA自動(dòng)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng).支持的Xilinx FPGA系列包括Spartan-II、Spartan-IIE、Spar-tan-3、Virtex、Virtex-E、Virtex-II、Virtex-II Pro.

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