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1、崑 山 科 技 大 學電 腦 與 通 訊 系學 生 專 題 製 作 報 告DSP設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統DSP design is based on Doppler measurement principle of non-invasive measurement system指導老師:郭晉魁學生姓名:施景議學號:4970D041班級:四電通三B中華民國100年1月崑 山 科 技 大 學電 腦 與 通 訊 系學 生 專 題 製 作 報 告DSP設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統DSP design is based on Doppler measurement princ
2、iple of non-invasive measurement system指導老師:郭晉魁學生姓名:施景議學號:4970D041班級:四電通三B中華民國100年1月專題製作報告授權同意書本授權書所授權之報告為本組在崑山科技大學電腦與通訊系99學年度第一學期修習專題製作課程之報告。報告名稱：DSP設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統本組就具有著作財產權之報告全文資料，同意提供本校圖書館典藏，並同意圖書館因典藏之目的就該資料進行必要之數位化重製，且依圖書館法、著作權法規定，提供讀者利用。上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行權利。依本授權所為之收錄、重製、發
3、行及學術研發利用均為無償。指導老師姓名：郭晉魁學生簽名：施景議學號：4970D041（親筆正楷）（務必填寫）日期：民國100年1月14日DSP設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統施景議崑山科技大學電腦與通訊系摘要隨著FPGA性能和容量的改進，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中將會同時使用處理器和FPGA，採用協同處理架構，讓FPGA執行預處理或後處理作業，以加速處理速度。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結合起來使用，設計一個基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統。傳統上，大量的應用設計使用專門的數位訊號處理(DSP)晶片或專用標準產品(ASSP)
4、並透過訊號處理演算法來處理數位資訊，濾波、視訊處理、編碼與解碼、以及音訊處理等僅僅是眾多採用DSP的應用中的一部份而已。現在，隨著FPGA性能和容量的改進，以及可以在大多數DSP應用中看到的通用算術運算的效率的提高，使用FPGA執行 DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中同時使用處理器和FPGA，採用協同處理架構，讓FPGA執行預處理或後處理作業，以加速處理速度。 顯示此種趨勢的應用之一是都卜勒測量系統，它可以測量固體或液體在各種環境中流動的速度。從管道中流動的油，到人的心臟中流 動的血液，相對於以前的方法，基於都卜勒測量原理的非侵入式測量方法可以大幅降低風險，減少成本和提高
5、精密度。一般來說，這些系統都是採用DSP技術，將 FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP元件之類結合起來使用。 關鍵字： FPGA DSP 協同處理架構 都卜勒測量 非侵入式測量系統DSP design is based on Doppler measurement principle of non-invasive measurement systemJING-YI,SHIHDepartment of Computer and Communication , Kun Shan University of TechnologyAbstractAs FPGA performance and c
6、apacity improvements, the use of FPGA implementation of DSP functions are becoming increasingly common practice. In many cases, the same applications will use both processor and FPGA, using co-processing framework for FPGA implementation of pre-or post-processing operations to speed up processing sp
7、eed. This article describes how to FPGA and DSP combined with the use of fixed-function, to design a measurement principle based on non-invasive Doppler measurement system.Traditionally, a large number of applications designed to use a dedicated digital signal processing (DSP) chip or a specific sta
8、ndard products (ASSP) and through the signal processing algorithms to process digital information, filtering, video processing, coding and decoding, and audio processing, just Is one of many DSP applications using a part of it.Now, with improved performance and capacity FPGA and DSP applications can
9、 be seen in the most general to improve the efficiency of arithmetic, FPGA implementation of DSP functions use practices have become increasingly common. In many cases, the same application using both the processor and the FPGA, using co-processing framework for FPGA implementation of pre-or post-pr
10、ocessing operations to speed up processing speed.The application indicates that this trend is one of the Doppler measurement system, which can be measured in a variety of solid or liquid flow rate environment. The flow of oil from the pipeline, to the human heart in the flow of blood, compared with
11、the previous method, based on Doppler measurement principle of non-invasive measurement method can significantly reduce risk, reduce costs and improve accuracy. In general, these systems are based on DSP technology, such as FPGA and TI DSP offers the fixed-function devices and the like in combinatio
12、n.Keywords: FPGA DSP co-processing framework for measuring non-invasive Doppler measurement system目錄頁數摘要 - 4Abstract - 5一、 數位訊號處理- 91.1數位系統-1.2時域和空域- 10 1.3頻域- 11二、FPGA- 2.1概要- 12 2.2與CPLD的比較- 13三、都卜勒效應- 3.1都卜勒效應- 14 3.2公式- 14目錄(續)頁數 3.3光波的都卜勒效應- 15 3.4聲波的都卜勒效應的應用- 15四、採FPGA協同處理架構 建構高性能DSP系統- 17五、DS
13、P設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統- 21參考文獻- 26一、數位訊號處理數位訊號處理是將訊號以數位方式表示並處理的理論和技術。數位訊號處理與類比訊號處理是訊號處理的子集。數位訊號處理的目的是對真實世界的連續類比訊號進行測量或濾波。因此在進行數位訊號處理之前需要將訊號從類比域轉換到數位域，這通常通過模數轉換器實現。而數位訊號處理的輸出經常也要轉換到類比域，這是通過數模轉換器實現的。數位訊號處理的演算法需要利用計算機或專用處理設備如數位訊號處理器（DSP）和專用積體電路（ASIC）等。數位訊號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優點，這些都是類比訊號處
14、理技術與設備所無法比擬的。1.1數位系統真實世界的訊號一般是連續的 類比訊號，相應的系統為類比系統。為了在類比系統中應用數位訊號處理，必須在類比系統和數位系統之間進行轉換。通常將類比系統的輸入數位化，即訊號取樣， 將此數位訊號作為數位系統的輸入。類似的，在數位訊號處理的輸出端，將輸出的數位訊號轉換為類比訊號即為類比系統的輸出。對類比訊號的取樣必須滿足取樣定理以避免頻譜混疊。也就是說，取樣頻率必須大於被取樣訊號頻寬的兩倍。為了保證被取樣的類比訊號是帶限的，通常在取樣之前要對它進行適當的帶通或低通濾波。訊號取樣包括兩個步驟：即將變數和值都連續的類比訊號先後轉換為在變數上離散的的離散訊號和值上也離散
15、的數位訊號（量化）。參考文獻: http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%95%B8%E4%BD%8D%E4%BF%A1%E8%99%9F%E8%99%95%E7%90%861.2時域和空域在時域和空域最常用的處理方法是使用稱為濾波的方法增強輸入訊號強度。濾波大體上包括對於目前輸入或者輸出訊號周圍一些環境樣本的轉換。有不同方法表示濾波器的特點；例如： 線性濾波器是對於輸入取樣的線性轉換；其它濾波器則是非線性的。線性濾波器滿足重疊條件，例如，如果一個輸入訊號是不同權重訊號的組合，輸出就是同等權重的對應輸出訊號的線性組合。 因果濾波器僅僅使用前面輸入或者輸出訊號的取樣；一個
16、非因果濾波器使用未來的輸入取樣。有些非因果濾波器可以在上面添加一個延時轉換成因果濾波器；反之，因果濾波器可以通過引入延時單元獲得非因果濾波器的某些特性。 非時變濾波器有不隨時間變化的恆定屬性；其它諸如自適應濾波器隨著時間變化。 一些濾波器是穩定的，另外一些則是不穩定的。一個穩定濾波器隨著時間延長輸出逐漸匯聚到一點或者在一個有限時間段內在一個範圍內波動。一個不穩定濾波器產生髮散的輸出。 無限脈衝響應（IIR）濾波器含有反饋結構，因此它的輸出不但與之前的輸入訊號有關，還與之前的輸出訊號有關。而有限脈衝響應（FIR）濾波器沒有反饋結構，它的輸出僅僅與之前的輸入訊號有關。同樣因為有無反饋的關係，IIR
17、濾波器可能是不穩定的，而FIR總是穩定的。多數濾波器能夠在Z域（頻域的一個超集）用它們的傳遞函數描述。一個數位濾波器可以表示為一個差分方程、零點和極點集合。或者，如果是FIR濾波器的話，可以表示為脈衝響應或者階梯響應。FIR濾波器對應一個輸入的輸出可以用輸入訊號和脈衝響應的摺積來計算。濾波器也可以使用系統框圖表示，它們然後就可以用於派生出一個處理演算法參考文獻: http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%95%B8%E4%BD%8D%E4%BF%A1%E8%99%9F%E8%99%95%E7%90%861.3頻域訊號通常通過傅立葉轉換從時域或者空間域轉換到頻域。傅立葉轉
18、換將訊號資訊轉換成每個成份頻率上的振幅和相位。傅立葉轉換經常轉換成功率譜，功率譜是每個成份頻率振幅的平方。在頻域分析訊號的最常見目的是分析訊號屬性。工程師通過分析頻譜就可以知道輸入訊號中有那些頻率的訊號沒有那些頻率的訊號。有一些通用的頻域轉換方法，例如倒頻譜（cepstrum）通過傅立葉轉換將訊號轉換到頻域、取對數、然後再進行傅立葉轉換。這種方法加強了振幅較小的成份頻率但是保留了成份頻率振幅的順序。參考文獻: http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%95%B8%E4%BD%8D%E4%BF%A1%E8%99%9F%E8%99%95%E7%90%86二、 FPGA現場可
19、程式邏輯閘陣列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一個含有可編輯元件的半導體設備，可供使用者現場程式化的邏輯閘陣列元件。2.1概要目前以硬體描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經過簡單的綜合與佈局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現代 IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現一些基本的邏輯閘電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更複雜一些的組合功能比如解碼器或數學方程式。在大多數的FPGA裡面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發器（Flipflop）或者其他更加完整的記憶塊。系統設計師可以根據需
20、要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個晶片里。一個出廠後的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。FPGA一般來說比ASIC（專用集成晶片） 的速度要慢，無法完成複雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可 能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些晶片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發是在普通的FPGA上完成的，然後將設計轉移到一個類似 於ASIC的晶片上。在一些技術更新比較快的行業，FPGA幾乎是電子系統中的必
21、要部件，因為在大批量供貨前，必須迅速搶佔市場，這時FPGA方便靈活的 優勢就顯得很重要。參考文獻: http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/FPGA2.2與CPLD的比較另外一種方法是用CPLD（複雜可程式邏輯器件備）。早在1980年代中期，FPGA已經在PLD設備中紮根。CPLD和FPGA包括了一些相對大數量的可以編輯邏輯單元。CPLD邏輯閘的密度在幾千到幾萬個邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬到幾百萬。CPLD和FPGA的主要區別是他們的系統結構。CPLD是一個有點限制性的結構。這個結構由一個或者多個可編輯的結果之和的邏輯組列和一些相對少 量的鎖定的暫存器。這樣的結果是
22、缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預計的延遲時間和邏輯單元對連接單元高比率的優點。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖 然讓它可以更加靈活的編輯，但是結構卻複雜的多。CPLD和FPGA另外一個區別是大多數的FPGA含有高層次的內置模塊（比如加法器和乘法器）和內置的存儲器。一個因此有關的重要區別是很多新的 FPGA支持完全的或者部分的系統內重新配置。允許他們的設計隨著系統升級或者動態重新配置而改變。一些FPGA可以讓設備的一部分重新編輯而其他部分繼 續正常運行。參考文獻: http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/FPGA三、 都卜勒效應3.1都卜勒效應都卜勒效應是波源和觀察者有相對
23、運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（即頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（即頻率變低，波長變長），就是都卜勒效應的現象，同樣現象也發生在私家車鳴響與火車的敲鐘聲。這一現象最初是由奧地利物理學家都卜勒在1842年發現的。荷蘭氣象學家拜斯巴洛特在1845年讓一隊喇叭手站在一輛從荷蘭烏德勒支附近疾駛而過的敞篷火車上吹奏，他在站台上測到了音調的改變。這是科學史上最有趣的實驗之一。都卜勒效應從19世紀下半葉起就被天文學家用來測量恆星的視向速度。現已被廣泛用來佐證觀測天體和人造衛星的運動。3.2公式觀察者 (Observer)
24、和發射源 (Source) 的頻率關係為：f 為觀察頻率，f 為發射頻率；v 為波段速度，vo 為觀察者行進速度， vs 為發射源行進速度。括號中分子和分母的上行運算和下行運算分別為接近和遠離之意。參考文獻:http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%83%BD%E5%8D%9C%E5%8B%92%E6%95%88%E6%87%893.3光波的都卜勒效應具有波動性的光也會出現這種效應，它又被稱為都卜勒-斐索效應. 因為法國物理學家斐索（18191896年）於1848年獨立地對來自恆星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應測量恆星相對速度的辦法.光波與聲波 的不同之處在於，
25、光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恆星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恆星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。參考文獻:http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%83%BD%E5%8D%9C%E5%8B%92%E6%95%88%E6%87%893.4聲波的都卜勒效應的應用聲波的都卜勒效應也可以用於醫學的診斷，也就是我們平常說的彩超。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白超再加上彩色都卜勒，首先說說超聲頻移診斷法，即超，此法應用都卜勒效應原理，當聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為
26、頻移，超包括脈衝都卜勒、連續都卜勒和彩色都卜勒血流圖像。彩色都卜勒超聲一般是用自相關技術進行都卜勒信號處理，把自相關技術獲得的血流信號經彩色編碼後實時地疊加在二維圖像上，即形成彩色都卜勒超聲血流圖像。由此可見，彩色都卜勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結構圖像的優點，又同時提供了血流動力學的豐富資訊，實際應用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽為非創傷性血管造影。為了檢查心臟、血管的運動狀態，了解血液流動速度，可以通過發射超聲來實現。由於血管內的血液是流動的物體，所以超聲波振源與相對運動的血液間就產生都卜勒效應。血管向著超聲源運動時，反射波的波長被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運動時，反射波的波
27、長變長，因而在單位時向里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流運速度成正比，從而就可根據超聲波的頻移量，測定血液的流速。我們知道血管內血流速度和血液流量，它對心血管的疾病診斷具有一定的價值，特別是對循環過程中供氧情況，閉鎖能力，有無紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價值的診斷資訊。超聲都卜勒法診斷心臟過程是這樣的：超聲振蕩器產生一種高頻的等幅超聲信號，激勵發射換能器探頭，產生連續不斷的超聲波，向人體心血管器官發射，當超聲波束遇到運動的臟器和血管時，便產生都卜勒效應，反射信號就為換能器所接受，就可以根據反射波與發射的頻率差異求出血流速度，根據反射波以頻率是增大還是減小判定血流方向。為了使探頭
28、容易對準被測血管，通常採用一種板形雙疊片探頭。交通警察向行進中的車輛發射頻率已知的超聲波同時測量反射波的頻率，根據反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有都卜勒測速儀的監視器有時就裝在路的上方，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，並把測得的速度自動列印在照片上。補充: 都卜勒效應也可以用波在介質中傳播的衰減理論解釋. 波在介質中傳播, 會出現頻散現象, 隨距離增加, 高頻向低頻移動.參考文獻:http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%83%BD%E5%8D%9C%E5%8B%92%E6%95%88%E6%87%89四、採FPGA協同處理架構 建構高性能DSP系統隨著F
29、PGA加入硬體嵌入式乘法器及各種傳輸介面與周邊功能後，解決了性能、靈活性和延展性等問題，不僅提供新的架構選擇，也讓FPGA的性能大幅提升。尤其在設計高階DSP系統時，更較傳統設計方式，展現更好的效能. 隨著FPGA加入硬體嵌入式乘法器及各種傳輸介面與周邊功能後，解決了性能、靈活性和延展性等問題，不僅提供新的架構選擇，也讓FPGA的性能大幅提升。尤其在設計高階DSP系統時，更較傳統設計方式，展現更好的效能。 設計一個靈活的可編程DSP系統架構，是令人望而生畏的工作。從不斷發展的移動通訊標準，到最新的視訊壓縮技術，這些新演算法變得越來越複雜。如客戶以往 對MPEG2視訊壓縮的解析度雖然滿意，但是現
30、在卻要求今後的產品須支援高解析度的H.264標準，這對系統性能的要求高出一個等級以上。同時，隨著網路 容量的持續增長，增加系統通道數量的壓力也不斷增大。因此，當啟動一個新設計時，工程師不但要考慮今日的需求，還必須明白系統未來可以迎接那些無法預料的 挑戰。 根據以往的經驗，建構高速數位通訊或即時視訊處理高性能DSP設計的方法相當有限。常用的方法是在電路板上儘可能地安裝大量DSP處理器，一般稱之為 DSP Farm，然後寄望軟體工程師所編寫的軟體，不會超出系統的最大處理能力。然而，設計複雜性和系統總容量等問題，限制了這種方法的靈活性，也就是說此種方 法將倚賴DSP處理器供應商，能夠不斷地提升時脈速
31、率、降低功耗，風險極高。如今，FPGA性能有了突破性的發展，這些元件整合硬體嵌入式乘法器，為解決 性能、靈活性和可延展性等問題提供新的架構選擇。 協同處理架構提供理想方案 FPGA協同處理架構是解決這些挑戰的理想方案。透過將DSP演算法在DSP處理器和FPGA輔助運算器之間進行畫分，可以獲得多種優勢，包括性能的顯著 提升以及系統總成本的降低等。然而，在採用這種方法之前還須要考慮許多問題，如特殊系統需求以及工程設計團隊的偏好，都將在最終的架構取捨上扮演重要角 色。為高性能DSP系統設計FPGA協同處理器解決方案時，系統設計人員應該考量下列諸多因素。 重新設計通道架構 一般設計者認為較好的方法，是
32、在FPGA中例化(Instantiate)軟式核心DSP處理器，採用與傳統DSP軟體發展相似的模式來產生程式碼，但這 是一種普遍的錯誤認知。為了充分發揮FPGA協同處理的優勢，必須重新設計資料通道的架構，以平行而不是序列的模式，來實現後續DSP處理器的編碼類型。 儘管DSP處理器和FPGA都具有嵌入式乘法器，與傳統的DSP處理器相比，採用FPGA架構的設計，可執行每週期更多的乘法累加(MAC)運算。因此， 設計者應評估其所設計的DSP系統和所需要的演算法，考慮如何將它們平行處理。在DSP處理器設計基礎之上，仔細地進行FPGA協同處理器架構規畫和 開發，可將性能等級再提升。 釐清設計流程 此外，
33、應釐清何種DSP設計流程最適合設計人員，特別是那些對FPGA設計流程不熟悉的人員。如果演算法開發小組傾向以C語言編寫的內部模型，來進行 DSP系統原型開發，那麼就可以非常靈活地選擇DSP設計流程。開發小組可以模組化方法，針對每個模組建立硬體設施。這種選擇可以決定FPGA協同處理器 設計的最佳啟動點；然而，開發小組也許更習慣針對工程採用模擬環境，對演算法迅速建立模型和模擬，在DSP軟體上經驗豐富的開發小組，會更適合這種設計方法。 當開發小組具有ASIC或者FPGA設計流程的背景時，還可直接編寫VHDL或者Verilog，而不使用高級設計的抽象工具來開發DSP資料通道，儘管 最終設計有可能耗費大量
34、的人工和時間，還是可以最佳化其容量和性能；另外，某些EDA供應商，專門針對DSP應用引入了C語言輸入工具，可以產生HDL程 式碼，直接在FPGA設計軟體中合成、實現；上述這些方法均可以整合在DSP設計流程中，實現FPGA協同處理器。 明確畫分DSP演算法 在進行設計前，還須決定怎樣將DSP演算法在DSP處理器與FPGA協同處理器架構中進行畫分。一種直觀、易於理解的方法，是將運算量最大的DSP演算法 卸載給FPGA，讓DSP處理控制流的部分。這種資料通道與控制通道架構，儘管簡單，但不一定適用於各式的設計工程。現今較常運用的軟核心嵌入式處理器 FPGA例化方法，可以實現大部分的FPGA控制通道。實
35、際上，可利用多個軟核心處理器，來為控制流提供更精細的精度等級。另一方面，已有的DSP程式碼，使開發小組很難決定在FPGA中，實施全部的資料通道處理，特別是已經投入大量人力和時間，在DSP處理器平台上進行函式庫開發的情況。在這種情形 下，開發小組可能會決定，僅將處理過程中的一小部分或者新的部分，首先在FPGA上實現。 請注意，靈活性是這種架構方法的關鍵優勢。假設在第一個FPGA設計中，採用了保守的方法，僅將設計處理的一小部分在FPGA中實現，而在系統DSP處理 器中執行其他部分，對於下一代設計，可以將更多的處理交由FPGA實現，不必重新設計當前的電路板便可以提升系統性能。要實現這種延續性，須要進
36、行仔細的 規畫。 取得最有利的DSP矽智財 衡量設計中關鍵DSP矽智財的取得來源。最好的設計是考慮工程需求，包括成本、未來的設計使用，以及產品上市時程等。與編寫模組相比，採用現成的內部核心 所耗費的成本較低，設計時程較快，當然這些內部核心必須擁有良好的支援，並具有合適的功能。在最近幾年中，圍繞DSP處理器的第三方IP已相當成熟，以適 應大量採用FPGA架構的DSP設計。FIR濾波器、快速傅立葉轉換(FFT)和前向糾錯(FEC)內部核心等最常用的模組已經成功實現，可以在系統中採用。IP供應商能夠以包裝好的FPGA內部核心的形式，提供H.264視訊編解碼器等新穎的專用IP。同時，應確定銷售商可提供
37、完整的文件檔、性能測試、 驗證測試平台以及良好的人員支援，以解決可能遇到的任何問題。確認系統整合方式 一旦確定處理畫分後，如何整合兩個不同的部分，特別是在DSP和FPGA之間的主要硬體介面上該如何選擇，將決定DSP須具備的週邊功能。系統中DSP處 理器和FPGA之間很有可能存在多個鏈結，因此亦須考量元件之間是採用低速序列連接進行控制，還是採用高速連接進行資料交換。 此外，根據元件之間的處理功能劃分，必須選擇合適的介面傳輸率。在您的系統中，可能會採用FPGA，來為專用音訊或視訊資料匯流排建立特定的橋接。 FPGA透過提供周邊和記憶體擴展，可用於提升DSP處理器的容量。當希望設計可實現那些DSP處
38、理器供應商還無法提供支援的新興業界標準時，這一點便顯得特別有用。 儘管可以建立訂製邏輯模組來實現這些功能，實際上可採用全面的系統整合工具，來完成這項繁雜的連接工作。這類軟體通常包括周邊元件函式庫，以實現多種互聯 選項。其次，這類設計工具能夠產生應用程式編程介面(API)，或者記憶體映射頭檔，並整合到DSP軟體整合開發環境中；在DSP軟體架構中整合硬體加速 演算法，是體現FPGA協同處理器架構優勢的關鍵。 DSP軟體架構中整合硬體加速 演算法，是體現FPGA協同處理器架構優勢的關鍵。 當已建立第一個FPGA協同處理架構後，如果須改進系統功能，或者要降低系統材料(BOM)總成本，可以採用多種方法來
39、達到這些目的，而不必重新設計當前 的電路板。FPGA供應商一般在整個密度範圍內提供接腳相容的元件，以支援縱向移植。為了降低生產成本，在設計許可的前提下，可使用小容量的FPGA，或 可將更多的功能由DSP處理器轉為FPGA實現，降低元件總數，而不必調整當前的電路板布局。為提升平台性能，可以採用密度更高的FPGA，建構功能更強 大、容量更高的設計，這種方法可在最大限度的重複使用設計，將下一代產品盡快推向市場。要實現這一點，應盡量保證初始設計具有模組化特性。 (本文作者任職於Altera) (詳細圖表請見新電子238期1月號) 參考文獻: http:/.tw/article_content.asp?
40、sn=0701020570五、DSP設計基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統隨著FPGA性能和容量的改進，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中將會同時使用處理器和FPGA，採用協同處理架構，讓FPGA執行預處理或後處理作業，以加速處理速度。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結合起來使用，設計一個基於都卜勒測量原理的非侵入式測量系統。圖1：電子束聚集技術。傳統上，大量的應用設計使用專門的數位訊號處理(DSP)晶片或專用標準產品(ASSP)並透過訊號處理演算法來處理數位資訊，濾波、視訊處理、編碼與解碼、以及音訊處理等僅僅是眾多採用DSP的應用中的一部份而已
41、。 現在，隨著FPGA性能和容量的改進，以及可以在大多數DSP應用中看到的通用算術運算的效率的提高，使用FPGA執行 DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中同時使用處理器和FPGA，採用協同處理架構，讓FPGA執行預處理或後處理作業，以加速處理 速度。 顯示此種趨勢的應用之一是都卜勒測量系統，它可以測量固體或液體在各種環境中流動的速度。從管道中流動的油，到人的心臟中流 動的血液，相對於以前的方法，基於都卜勒測量原理的非侵入式測量方法可以大幅降低風險，減少成本和提高精密度。一般來說，這些系統都是採用DSP技術，將 FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP元件之類結合起來使用。
42、都卜勒測量系統 圖2：具有延遲功能的電子束聚集技術。都卜勒測量系統利用都卜勒效應測量運動目標(固體、液體或氣體)的速度。最著名的應用大概要算雷達槍了，交通巡警利用它檢測超速汽車。 在測量除汽車速度之外的其他物體的運動(例如心臟中血液的流動)時，需要進行多種測量，來確定更為複雜的流動的細節。方法之一是利用電子束聚集技術。 在這種技術中，將使用大量探測器(許多小雷達槍)測量從發射源返回的頻率。這些探測器沿拋物線分佈(如圖1所示)，因此從焦 點返回的訊號將會同時到達每個探測器。將這些訊號組合起來，並對顯著速度的微小波動進行少量處理，就可以確定位於焦點處的物體的速度。如果可以移動探測器 來對整個關注區
43、域進行掃描，那麼這種方法效果會相當好，但是如果沒有這樣的條件，則可以採用另外一種技術，它可以獲得同樣的結果。透過插入一定的可程式的 延遲，改變各個探測器的輸入組合的時間，可以將焦點改變到關注區域中的幾乎任何位置。例如，加入一定的固定額外延遲可以使焦點遠移，而改變延遲來縮短探測 器一側的傳播路徑則會使焦點向該側移動。 圖2顯示了如何利用可調延遲功能產生拋物線形效果。可調延遲功能在富含暫存器的FPGA中極易實現，並可能成為從傳統DSP中剝離作為協同處理器功能的一種功能。圖 3：示例系統結構圖。系統實現示例 圖3顯示了一種系統實現示例的結構圖。位於該圖中間的FPGA負責產生發射器使用的輸出訊號。該範
44、例採用Xilinx直接數位頻率合成器IP核心，可方便地產生各種波形。同時可以根據測量目標的不同輕鬆改變頻率。 探測器測量返回訊號的類比值，產生饋送到FPGA的數位值。FPGA對輸入訊號執行部份初步濾波運算，來調整探測器的位置。 然後FPGA向每個探測器數據串流中插入一定可程式延遲，以實現電子束聚集功能。數據串流被組合起來，一個數位濾波器負責確定訊號的頻率分量。這樣就得到 了確定焦點速度所必需的都卜勒讀數。 在FPGA的內部有一個MicroBlaze軟核心，控制著測量過程，因而實現高層次功能，如掃描、初始化、測試，以及診斷等。 DSP讀取和儲存FPGA執行作業的結果。一旦完成一系列掃描，處理器就
45、可以建構出一幅針對掃描區域的數位影像。可以為不同 的速度分配不同的顏色(按照線性、對數或任何其他比例)，並將數位影像轉換成視訊影像，在圖形終端上即時顯示或記錄下來留待以後播放。利用眾多可以得到的 軟體或工具套件中的一個，還可以在處理器中輕鬆實現到JPEG或其他視訊格式的轉換，還可以採用其他系統分割進行實驗。如果即時視訊處理和儲存佔用了處理 器過多頻寬，可以將演算法的一部份(比如掃描數據的預處理)放在FPGA中來執行。圖4：DSP協同處理器Virtex-4 FPGA硬體平台。測量過程的另一個重要部份是確定目標的品質。可以透過測量從焦點返回探測器的能量大小來實現這一功能。返回的能量越多，則目標越大
46、 (一般而言)。當測量的目標具有固定連貫性時(如在管道中流動的油或其他液體)，這種測量效果特別好，但當系統中存在各種不同品質或反射時，測量就很困難 了。 顯然，對被測系統多些了解可以為測量過程提供一些線索。透過儲存與返回訊號的幅度相對應的數位值，可以為FPGA協同處理器增加能量測量功能。該值也是經過了FPGA的延遲。 作為選項，JPEG處理可以作為一項獨立的功能透過FPGA來執行，因而使處理器留出更多時間進行數據預處理器。有許多選項可供選擇，但提供一種能夠快速實現不同分割的易用平台才是至為重要的。 類似的以協同處理為本的應用可以從硬體開發平台的使用中獲得好處。利用硬體平台可以讓你輕鬆實驗各種系統和演算法分割，將一 些功能在FPGA中實現，而另一些功能放在DSP中。DSP應用程式一般很難用軟體進行模擬，因此快速製作硬體/韌體/軟體平台的能力可以大幅縮短開發時 間。使用智霖工具套件中的協模擬工具，透過The MathWorks Simulink和目標硬體進行開發，是一種可以大幅縮短設計時間的技巧。圖5：DSP處理器配接器模組。Avnet DSP協同處理器設計套件 Avnet DSP協同處理設計套件是