FPGA数字信号处理前沿

       生活在这个色彩斑斓的世界里，大家的身边存在太多模拟信号比如光能、电压、电流、压力、声音、流速等。数字信号处理作为嵌入式研发的一个经久不衰热门话题，可以说大到军工武器、航空航天，小到日常仪器、工业控制，嵌入式SOC芯片数字信号处理相关应用无处不在，本科期间很多同学都选修或者必修过“数字信号处理”的课程，但是当时很多内容听得都很模糊，听了些理论、记了些公式，刷刷题再考考试，这门课程就算结束了，可能也没有相关的课程设计。

       等到真正参加工作从事嵌入式软件开发后，“FPGA数字信号处理”这个名词确实常常在耳畔响起，这时候再想去系统学习却发现很难摸到头脑，一方面是市面很少有相关教程或者应用案例，另一方面是需要很多相关背景知识，工作阅历的支撑。

       比方说首先数字信号处理中有很多概念：序列变换、频谱分析、时域频域、卷积滤波、上下变频等，这些听起来就很绕脑；其次还需要会使用matlab做一些数据模拟和分析，而对于FPGA研发来说可能还需要modelsim和matlab的联合去验证分析问题；再次对于数字信号处理而言其中应用最多的点在乘加运算上，FPGA做高速ADC实时采集滤波定点数计算，而产品成本限制又要求选择性价比较高的FPGA器件，那么在逻辑资源有限的情况下，特别是乘法器资源，就比较考验研发者的FPGA设计能力，通过面积时间互换方法在性能和成本之间找到一个平衡点；最后一般情况下大多产品会使用前端ARM或者DSP，配合后端FPGA的架构，所以想从全局角度理解整个产品，对于嵌入式软件架构也要有些了解，哪些工作放在前端实现合适，哪些工作放在后端实现合适，前后端SOC芯片之间报文通信的方式等要能理清楚。

       为了把“FPGA数字信号处理”这个博客写得尽量通俗易懂贴近项目，笔者课下也做了很多功课，我们从理论到实践出发的方式，先理一理书本上数字信号处理的相关理论知识，工作后再去看本科期间经典书籍，有了工作积累很多东西会有更深刻理解，首先理论部分会整理编写十到十五篇博客放在“FPGA基础知识”专栏方便大家查阅，这部分的理论知识也经常会用到；其次会联合matlab和modelsim仿真，在现实需求中设计出不同性能和阶数的FIR滤波器并上板分析观察效果现象并做合理总结；再次会把FFT傅里叶变化的IP核研读一遍，同样去联合matlab和modelsim仿真，通过开发板DAC发出叠加频率的正弦波输入，ADC采样FFT还原出采样的波形频率和幅值验证我们的设计。

       最后想整理一个数字信号处理的软件框架供，具有较强的通用性供大家项目参考，为了还原整个软件的实施，硬件上正在去绘制一个接口插件板，板载AD9220的ADC芯片和相关运放调节电路、配有低端MCU的STM32F103CBT6芯片和编码器按键、一个OLED屏幕，直插到现有的豌豆开发板CMOS摄像头端子上，MCU和FPGA间串口TTL电平通信，用户通过按键编码器在OLED屏幕上设定FPGA驱动AD9708的DAC芯片输出不同频率叠加的波形，硬件上通过SMA端子连接到AD9220的ADC芯片。FPGA采样计算滤波，还原出叠加波形的频率和幅值，通过报文串口发送到MCU处理并同时动态显示在OLED屏幕上。

       “数字信号处理”这本书当然也存在几个不同的版本，这里笔者准备了一本经典电子版英文的“Understanding Digital Signal Procesing”同时也附带了其中文翻译版，如有需要的同学私信即可，国外英文书籍写得相比国内教程更容易理解，博客理论撰写整理参考高西全老师的“数字信号处理”第四版和万永菁老师“数字信号处理”的课程，FPGA数字信号处理则参考了杜勇老师和高亚军老师的相关书籍。