基于FPGA和DSP的光纤信号实时处理系统

基于DSP+FPGA的实时信号采集系统设计与实现周新淳【摘要】为了提高对实时信号采集的准确性和无偏性,提出一种基于DSP+FPGA 的实时信号采集系统设计方案.系统采用4个换能器基阵并联组成信号采集阵列单元,对采集的原始信号通过模拟信号预处理机进行放大滤波处理,采用TMS32010DSP芯片作为信号处理器核心芯片实现实时信号采集和处理,包括信号频谱分析和目标信息模拟,由DSP控制D/A转换器进行数/模转换,通过FPGA实现数据存储,在PC机上实时显示采样数据和DSP处理结果;通过仿真实验进行性能测试,结果表明,该信号采集系统能有效实现实时信号采集和处理,抗干扰能力较强.%In order to improve the accuracy and bias of real-time signal acquisition,a real-time signal acquisition system based on DSP +-FPGA is proposed.The system adopts 4 transducer array to build parallel array signal acquisition unit,the original signal acquisition amplification filtering through analog signal pretreatment,using TMS32010DSP chip as the core of signal processor chip to realize real-time signal acquisition andprocessing,including the signal spectrum analysis and target information simulation,controlled by DSP D/A converter DAC,through the realization of FPGA data storage,real-time display on the PC and DSP sampling data processing results.The performance of the system is tested by simulation.The results show that the signal acquisition system can effectively realize the real-time signal acquisition and processing,the anti-interference ability is strong.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2017(025)008【总页数】4页(P210-213)【关键词】DSP;FPGA;信号采集;系统设计【作者】周新淳【作者单位】宝鸡文理学院物理与光电技术学院,陕西宝鸡721016【正文语种】中文【中图分类】TN911实时信号采集是实现信号处理和数据分析的第一步，通过对信号发生源的实时信号采集，在军事和民用方面都具有广泛的用途。

万方数据万方数据·１１０·微处理机２０１０年（ＤＰＲＡＭ）。

虽然Ｃ６４１６片内集成了高达８Ｍ位的片内高速缓存，但考虑到图像处理算法必涉及到对前后几帧图像进行处理，为保证系统运行时存储容量不会成为整个系统的性能瓶颈（ｃｈｏｋｅｐｏｉｎｔ），在ＤＳＰ模块中额外扩展存储空间。

由于ＥＭＩＦＡ口的数据宽度更大，因此系统在ＥＭＩＦＡ的ＣＥｌ空间内扩展了两片总共１２８Ｍ位的同步存储器。

Ｃ６４１６的引导方式有三种，分别是：不加载，ＣＰＵ直接开始执行地址０处的存储器中的指令；ＲＯＭ加载，位于ＥＭＩＦＢＣＥｌ空间的ＲＯＭ中的程序首选通过ＥＤＭＡ被搬人地址Ｏ处，ＲＯＭ加载只支持８位的ＲＯＭ加载；主机加载，外部主机通过主机接口初始化ＣＰＵ的存储空间，包括片内配置寄存器。

本系统采用的是ＲＯＭ加载方式。

Ｃ６４１６片内有三个多通道缓冲串口，经ＤＳＰ处理的最终结果将通过ＤＳＰ的多通道缓冲串口传送至ＦＰＧＡ。

３．４图像输出模块该模块的功能是将ＤＳＰ处理后的图像数据进行数模转换，并与字符信号合成后形成ＶＧＡ格式的视频信号。

这里选用的数模转换芯片为ＡＤＶ７１２５。

这是ＡＤＩ公司生产的一款三通道（每通道８位）视频数模转换器，其最大数据吞吐率３３０ＭＳＰＳ，输出信图２原始图像图３ＦＰＧＡ图像增强结果５结论实时图像处理系统以ＤＳＰ和ＦＰＧＡ为基本结构，并在此结构的基础上进行了优化，增加了视频输入通路。

同时所有的数据交换都通过了ＦＰＧＡ，后期的调试过程证明这样做使得调试非常方便，既可以监视数据的交换又方便修正前期设计的错误。

整个系统结构简单，各个模块功能清晰明了。

经后期大量的系统仿真验证：系统稳定性高，处理速度快，能满足设计要求。

号兼容ＲＳ一３４３Ａ／ＲＳ一１７０。

由ＦＰＧＡ产生的数字视频信号分别进入到ＡＤＶ７１２５的三个数据通道，经数模转换后输出模拟视频信号并与原来的同步信号、消隐信号叠加后便可以在显示器上显示处理的结果了。

FPGA应用文章ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ实时信号处理系统摘要：简要叙述了常用的信号处理系统的类型与处理机结构，介绍了正逐步得到广泛应用的ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ处理机结构，在此基础上提出了一种实时信号处理的线性流水阵列，并举例说明了该结构的具体实现，最后分析说明了此结构的优越性。

关键词：实时信号处理处理机结构线性流水阵列实时信号处理系统要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。

实时信号处理算法中经常用到对图象的求和、求差运算，二维梯度运算，图象分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。

其中有的运算本身结构比较简单，但是数据量大，计算速度要求高；有些处理对速度并没有特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现。

因此，实时信号处理系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。

１信号处理系统的类型与常用处理机结构根据信号处理系统在构成、处理能力以及计算问题到硬件结构映射方法的不同，将现代信号处理系统分为三大类：·指令集结构（ＩＳＡ）系统。

在由各种微处理器、ＤＳＰ处理器或专用指令集处理器等组成的信号处理系统中，都需要通过系统中的处理器所提供的指令系统（或微代码）来描述各种算法，并在指令部件的控制下完成对各种可计算问题的求解。

·硬连线结构系统。

主要是指由专用集成电路（ＡＳＩＣ）构成的系统，其基本特征是功能固定、通常用于完成特定的算法，这种系统适合于实现功能固定和数据结构明确的计算问题。

不足之处主要在于：设计周期长、成本高，且没有可编程性，可扩展性差。

·可重构系统。

基本特征是系统中有一个或多个可重构器件（如ＦＰＧＡ），可重构处理器之间或可重构处理器与ＩＳＡ结构处理器之间通过互连结构构成一个完整的计算系统。

从系统信号处理系统的构成方式来看，常用的处理机结构有下面几种：单指令流单数据流（ＳＩＳＤ）、单指令流多数据流（ＳＩＭＤ）、多指令流多数据流（ＭＩＭＤ）。

DSP与FPGA实时信号处理系统介绍DSP（Digital Signal Processor）是一种专门用于数字信号处理的处理器，它可以高效地执行各种数字信号处理算法。

DSP的特点是具有高速运算能力、优化的指令集和丰富的并行功能，使得它能够在实时性要求较高的信号处理任务中发挥重要作用。

DSP的应用非常广泛，包括音频信号处理、图像处理、通信系统等。

在音频信号处理中，DSP可以通过滤波器等算法实现音频的均衡、去噪和音效处理等；在图像处理中，DSP可以实现图像的增强、去噪和边缘检测等算法；在通信系统中，DSP可以实现调制解调、编码解码和信号重构等功能。

DSP在实时信号处理系统中起着关键的作用。

它可以通过硬件电路实现各种滤波、变换等算法，实现信号的实时处理。

而且，由于DSP具有较高的计算能力和运算速度，可以满足实时性要求较高的信号处理任务。

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它可以根据用户的需要重新实现硬件电路功能。

FPGA的特点是具有灵活的编程性能和较高的并行计算能力，使得它能够高效地实现各种数字信号处理算法。

FPGA的应用范围广泛，包括图像处理、音频处理、视频处理、通信系统等。

在图像处理中，FPGA可以实现图像的分割、边缘检测和图像增强等功能；在音频处理中，FPGA可以实现音频的压缩、解码和音效处理等功能；在通信系统中，FPGA可以实现调制解调、协议处理和信号重构等功能。

FPGA在实时信号处理系统中具有重要作用。

它可以通过重新编程硬件电路，实现各种算法的并行运算，从而提高信号处理的速度和效率。

此外，FPGA还可以与其他硬件设备配合使用，如ADC（Analog-to-Digital Converter）和DAC（Digital-to-Analog Converter），实现信号的输入和输出。

DSP与FPGA在实时信号处理系统中可以相互配合使用。

DSP可以负责实现一些复杂的算法，如滤波器、变换和编码解码等，而FPGA可以负责实现并行计算和硬件电路的实现。

基于FPGA和DSP的光纤信号实时处理系统探测器对光纤输入的光脉冲序列举行光电转换，通过实现波分解复用，再对信号举行放大及阻抗匹配，使其满足对输入信号的要求。

在时分复用阵列中，系统采样频率与单路信号采样频率和复用路数的乘积成比例。

设计系统单路信号采样频率为125KHZ，则8路时分复用系统最低采样频率达到1M，因此选用Analog Devices公司的16位模数转换器AD9446，它在100MSPS转换速率的条件下，能同时保持0.4LSB 微分线性误差(DNL)，十分适合高采样率和宽带宽的应用场合。

对于高速采集系统，A/D建立稳定的工作状态需要相当长时光，频繁地转变A/D 的工作状态会影响测量的精度，严峻时会造成信号的失真。

为此，同步指令不挺直作用于高速A/D，而是用FPGA产生A/D采样时钟信号，并按照同步指令实现对采样数据的取舍。

2．2 FPGA模块因为信号载波频率较高。

相应的提高了信号的采样频率，增大了处理器处理速度和数据传输的压力。

而后端对信号处理关怀的是信号的特征信息，因此采纳FPGA对数据举行数字低通滤波，然后对数据举行降采样处理，这样就可用较小的数据量获得信号信息，缓解DSP数据解调压力。

与此同时，FPGA使A/D采样与信号调制保持同步。

为了充分利用FPGA和DSP的各自优点，选用公司的规律单元个数为5980、配置存储器容量可达1M的E6F256，所有控制规律由硬件完成，实现控制与算法的分别，充分满足系统实时性的要求。

2．3 数据缓存FIFO模块信号接收缓存选用公司的同步FIFO器件。

DSP读取FIFO数据时EDMA 控制器可以自立于CPU工作．便利地实现片内存储器、片内外设以及外部存储空间之间的数据转移。

数据绵绵不断推入FIFO，FIFO数据存满则自动将满标记置位．启动DSP的EDMA7通道举行传输。

2．4外部存储模块2．4．1程序存储器FLASH第1页共2页。

1310 引言随着经济的快速发展,各个领域对高速视频图像实时处理的速度与精度提出了更高的要求,譬如:机器人导航领域、现场监控领域、安防领域等。

在此背景下,高速视频图像实时处理技术得到了长足的发展[1]。

20世纪70年代,人们开始利用高速摄像机来记录运动的物体,但当时高速摄像机是以胶片的形式作为记录介质,无法实现数据的实时处理[2]。

现如今,高速工业相机的采样频率高达1000FPS (Frame Per Second)[3],由于高速视频图像实时处理系统具有数据量大,数据相关性高,而且对图像的帧、场时间具有严格的限制,因此,高速视频图像实时处理领域对中央处理芯片、外部存储芯片的工作速率以及核心算法的运算复杂度等都提出了极大的挑战[4]。

1 系统设计如图1所示,高速视频实时处理系统采用Xilinx公司的K7系列FPGA芯片作为核心控制器,采用TI公司TMS320 C6455作为图形处理器。

通过Camera Link总线接收高速视频数据,并将视频数据缓存在由4片DDR3-SDRAM构造64位宽的外部动态存储器内,同时根据接收视频的帧位置向DSP发送中断。

DSP根据中断信息通过DMA的方式从DDR3中读取视频数据进行实时跟踪处理。

并将跟踪波门信息反馈给FPGA。

FPGA利用视频叠加技术将波门叠加在输出的VGA视频中实时显示。

1.1 高速视频输入高速视频采用Camera Link Full接口输入,视频分辨率1280×1024、位宽8bit、帧频520f/s。

Camera Link标准由数家工业级相机及采集卡制造商共同制定,该接口具有通用性,标准规定了引脚分配及相应的接插件规范,能够确保兼容设备的接口实现无缝连接。

Camera Link标准基于Channel Link技术,在传统LVDS (Low Voltage Differential Signaling)传输数据的基础上加载了并转串发送器和串转并接收器,利用SER DES技收稿日期:2021-03-08作者简介:张小永(1987—),男,满族,北京人,本科,研究方向:数字图像处理技术。

DSP与FPGA实时信号处理系统介绍DSP（Digital Signal Processor）和FPGA（Field Programmable Gate Array）是数字信号处理领域中两种广泛应用的技术，它们在实时信号处理系统中有着重要的作用。

本文将分别介绍DSP和FPGA，并结合它们在实时信号处理系统中的应用，探讨它们的优势和特点。

1.DSP介绍DSP是一种专门用于数字信号处理的专用处理器。

它的主要特点是具有高性能、低成本和灵活性强。

DSP通常用于音频、视频、通信等领域的信号处理应用中，它可以实现信号的滤波、变换、编解码等处理。

DSP的结构包括数据和指令存储器、运算器、控制逻辑等部件，具有高速的浮点运算能力和多种数据处理功能。

在实时信号处理系统中，DSP的主要优势包括：-可编程性：DSP的指令集和操作模式可以根据应用需求进行定制和优化，使其适用于各种不同的信号处理算法和实时处理任务。

-高性能：DSP器件通常具有高速的运算能力和大容量的存储器，可以实现复杂的算法并实现高速的信号处理。

-低延迟：DSP通常具有低延迟的特点，适合需要实时响应的信号处理应用。

DSP在实时信号处理系统中的应用非常广泛，包括音频处理、视觉处理、通信系统等领域。

例如，在音频处理中，DSP可以用于音频编解码、音频滤波、声音增强等任务；在通信系统中，DSP可以用于信号解调、频谱分析、自适应滤波等任务。

2.FPGA介绍FPGA是一种可编程逻辑器件，它具有灵活性强、重构方便和并行处理能力强的特点。

FPGA的基本单元是可编程逻辑单元（PLU）和存储单元（BRAM），通过配置这些单元可以实现各种逻辑功能和数据处理任务。

FPGA可以实现硬件加速、并行处理和定制化功能，适用于各种复杂的数字信号处理算法和实时处理任务。

在实时信号处理系统中，FPGA的主要优势包括：-灵活性：FPGA的硬件结构可以通过重新配置来适应不同的应用需求，可以实现多种功能模块的并行处理和硬件加速。

基于DSP和FPGA的数字化信号处理系统研究数字化信号处理技术在现代通信和控制系统中得到了广泛应用，从手机信号到高速列车系统，都需要数字化信号处理系统进行相关转化和处理。

在数字化信号处理技术中，DSP和FPGA作为重要的核心模块，能够快速、高效地实现信号处理。

本文将详细介绍基于DSP和FPGA的数字化信号处理系统的研究及其应用。

一、数字化信号处理系统的基本概念数字化信号处理是指将模拟信号进行采样、量化、编码等处理，最终转化成数字信号，然后通过数字信号处理器进行数字处理、分析、传输、存储等过程的技术。

数字化信号处理系统由三个基本部分组成：信号采集设备、数字信号处理单元和数字信号输出设备。

信号采集设备包括模拟滤波器、模拟前端电路、ADC（模拟-数字转换器）等部分。

ADC是数字化信号处理系统的核心之一，它将模拟信号转换成数字信号，然后将其传给数字信号处理器。

数字信号处理器又可以分为DSP和FPGA两个部分。

DSP是数字信号处理器中较常见的一种芯片，它采用高速运算功能单元和专门的算法解释器来实现快速、高效的数字信号处理。

FPGA则更多用在数字信号的逻辑实现和调度方面。

它采用硬件描述语言编写程序，并将运算资源进行逻辑连接，以实现功能的高度定制性和并行性。

数字信号输出设备包括DAC（数字-模拟转换器）、模拟滤波器、调制器等。

它的主要作用是将处理后的数字信号转换成模拟信号输出给外界。

二、数字化信号处理系统的应用领域数字化信号处理技术已经得到广泛应用，包括但不限于以下领域：1. 通信系统：数字化信号处理技术广泛用于手机、网络通信、卫星通信、无线电通信等领域，以提高语音、图像等信息的传输效率和质量。

2. 控制系统：数字化信号处理技术在飞行控制、电力控制、轨道交通等自动化控制系统中应用广泛，以实现对复杂系统的高效监控和控制。

3. 图像处理：数字化图像处理技术应用于图像处理、视频处理等领域，是计算机视觉、虚拟现实等技术的基础。