在Matlab中实现数字通信FPGA硬件设计
近年来,在数字通信、网络、视频和图像处理领域,FPGA已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件.FPGA的逻辑结构不仅包括查找表、寄存器、多路复用器、存储器,而且还有快速加法器、乘法器和I/O处理专用电路.FPGA具有实现高性能并行算法的能力,是构成高性能可定制数据通路处理器(数字滤波、FFT)的理想器件.如Virtex-II Pro FPGA包含高性能的可编程架构、嵌入式PowerPC处理器和3.125Gbps收发器等.
但是,FPGA在数字信号处理领域的广泛应用受限于几个因素.首先,DSP开发人员不熟悉硬件设计,尤其是FPGA.他们使用Matlab验证算法,运用C语言或汇编语言编程,通常不会使用硬件描述语言(VHDL或Verilog)实现数字设计.其次,虽然VHDL语言也提供了许多高层次的语言抽象,但是基于并行硬件系统的VHDL程序设计与基于微处理器的串行程序设计有很大的不同.
基于以上原因,Xilinx公司开发了基于Matlab的System Generator for DSP工具.System Generator for DSP是Simulink中一个基于FPGA的信号处理建模和设计工具.该工具可以将一个DSP系统表示为一个高度抽象的模块,并自动将系统映射为一个基于FPGA的硬件方案.重要的是,该System Generator for DSP实现这些功能并没有降低硬件性能.
1 System Generator for DSP的特点
Simulink为DSP系统提供了强有力的高层次建模环境,可大量应用于算法开发和验证.System Generator for DSP作为Simulink的一个工具箱很好地体现了这些特性,同时又可以自动将设计转换为可综合的高效硬件实现方案.该硬件实现方案忠实于原始设计,因此设计模型与硬件实现在采样点(在Simulink中定义)是一一对应的.通过使用Xilinx精心设计的IP(intellectual property)核可以使硬件方案具有较小的延迟和体积.虽然System Generator中的IP模块是经过功能抽象的,但是对于熟悉FPGA的设计者来说,该模块也具有直接访问底层硬件细节的能力.例如,可以指定System Generator乘法器模块使用Virtex-II系列FPGA中的专用高速乘法器元件,用户定义的IP模块也能够作为黑盒子插入系统之中,等等.
使用System Generator for DSP实现系统设计的主要特点有:
●在Simulink中实现FPGA电路的系统级建模,并自动生成硬件描述语言.
●自动生成Modelsim测试程序,支持软硬件仿真.
●支持用户创建的Simulink模块.
●使用Xilinx FPGA自动实现硬件系统.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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