采用FPGA实现数字系统
基于FPGA的数字信号处理系统设计
基于FPGA的数字信号处理系统设计数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）是一种利用计算机或数字电子设备对模拟信号进行采样、量化、编码、处理以及还原的技术，它在实际应用中起到了至关重要的作用。
为了满足实时性、高性能和低功耗等要求，基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的数字信号处理系统开始逐渐流行。
一、引言近年来，随着通信技术和信号处理领域的快速发展，人们对于数字信号处理系统的性能要求越来越高。
传统的通信设备采用的是固定功能的专门硬件电路，难以满足不断变化的信号处理需求。
而FPGA作为一种灵活可编程的集成电路，其具备可实现硬件功能的能力，从而使得DSP系统能够灵活地适应不同的信号处理算法与应用。
二、FPGA架构和特性FPGA使用基于通用逻辑门的可编程逻辑技术进行设计，其架构主要由逻辑单元（Look-Up Table, LUT）、寄存器、多路器、存储单元以及全局时钟网络等组成。
这些特性使得FPGA具备了以下几个优势：1. 灵活性：FPGA可以根据应用需求灵活配置硬件，实现不同的功能，满足不同的信号处理算法要求。
2. 可重构性：FPGA支持在线重编程，即可以通过配置文件的更新来改变电路的功能，方便快捷。
3. 并行处理能力：FPGA拥有大量的逻辑单元和寄存器，可以同时处理多个数据。
这在实时性要求较高的信号处理领域非常有优势。
4. 低功耗：相比于传统的固定功能电路，FPGA在处理相同任务时的功耗更低，有利于降低系统整体的功耗消耗。
三、基于FPGA的数字信号处理系统设计基于FPGA的数字信号处理系统设计主要包括以下几个方面的内容：1. 系统设计与分析：首先，需要对信号处理的要求进行分析，确定系统的功能与性能指标。
然后，基于这些要求，进行系统的整体架构设计，包括硬件与软件部分的分配、接口定义以及模块划分等。
2. 信号采集与预处理：系统中的信号可能是模拟信号，需要通过模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）将模拟信号转换为数字信号。
基于FPGA的高速数据传输系统设计与实现
基于FPGA的高速数据传输系统设计与实现第一章引言随着数字系统技术的不断发展，人们对高速数据传输系统的需求越来越高。
传统的传输方式已经无法满足迅速增长的数据传输需求，高性能和高效率的信息传播已成为数字技术领域中的热点。
本文提出了一种基于FPGA的高速数据传输系统，该系统能够在高速数据传输应用中实现更快的数据传输速度和更高的传输效率。
第二章系统设计2.1 系统架构设计基于FPGA的高速数据传输系统是一种基于可编程逻辑器件（FPGA）的系统。
FPGA可编程性强、带宽大、速度快、灵活性好，适合于高速数据传输。
在该系统中，FPGA负责实现数据的控制、存储、传输等功能，包括传输模块、存储模块、控制模块和解码模块等。
2.2 传输模块设计传输模块是基于FPGA的高速数据传输系统的重要组成部分。
传输模块需要具备高速传输数据的功能，同时还需要保证数据传输的准确性和稳定性。
该系统采用的传输模块是PCIe总线传输模块，这种模块可以达到每秒传输10Gbps的传输速度。
2.3 存储模块设计存储模块是基于FPGA的高速数据传输系统中的另一个重要组成部分。
存储模块负责存储接收到的数据，以便随后进行处理。
为了提高存储的效率，该系统采用DDR3存储芯片，这种存储芯片不仅运行速度快，而且具有容量大、易扩展等优点。
2.4 控制模块设计控制模块是基于FPGA的高速数据传输系统中的核心组成部分之一。
控制模块负责控制数据的传输、存储和处理等操作。
控制模块需要具备高速传输数据的能力，并能够控制其他模块的运行状态，避免数据传输和存储中的冲突等问题。
2.5 解码模块设计解码模块是基于FPGA的高速数据传输系统中的另一个关键模块。
解码模块负责将传输的数据转换为有效的数据，该模块需要具有高速运行和高效性能的特点，以确保有效的数据操作。
第三章系统实现3.1 硬件设计本设计实现硬件采用Xilinx公司的Virtex-7 FPGAXC7VX485T-2FFG1761进行开发。
数字逻辑系统设计FPGA[实验][全加器]
![数字逻辑系统设计FPGA[实验][全加器]](https://img.taocdn.com/s3/m/b27e50cb4028915f804dc24b.png)
实验一 全加器实验目的：1、设计一个全加器。
2、熟悉和掌握FPGA开发软件Quartus II的使用方法。
3、了解掌握用VHDL语言以不同的方式编程方法。
4、掌握电路设计仿真和硬件下载的方法。
实验器材1、SOPC实验箱2、计算机（装有Quartus II 7.0软件）实验预习1、阅读SOPC实验箱的相关资料，了解实验箱的使用方法。
2、预习Quartus II7.0基本使用方法，熟悉实验操作流程。
3、书写预习报告，必须有完整的VHDL设计程序及实验步骤。
实验原理1、1位全家器能实现2个二进制数含进位位的加法，其逻辑功能真值表如表-1，电路原理图如图1.0所示表-1 1 位全加器逻辑功能真值表A B Cin Sum Cout0 0 0 0 01 0 0 1 00 1 0 1 01 1 0 0 10 0 1 1 01 0 1 0 10 1 1 0 11 1 1 1 1图1.0 1 位全加器电路实验内容设计一个全加器，实现全家器的逻辑功能。
其输入由三位拨码开关提供，输出由五路LED指示，其中两路显示输出结果，另外三路显示输入拨码开关的状态。
注意：实验箱上的LED指示灯，低电位时亮，高电位时灭，注意电路最后的输出逻辑转换。
一、使用QUARTUS II建立工程1、打开QUARTUS II软件并建立工程选择开始>>程序>>Quartus II 7.0>> Quartus II 7.0(32-Bit)打开Quartus II 7.0软件。
也可以直接点击桌面上的Quartus II 7.0（32-Bit）图标打开Quartus II 7.0，软件界面如图1.1所示。
图1.1 Quartus II界面2、在图1.1中选择File>>New Project Wizard来新建一项工程。
在本实验指导书中，任何一个实验都是包含于一个项目中。
同时要区别“New Project Wizard”与“New”的关系，“New”是新建项目内的子文件用。
基于FPGA的数字信号处理系统设计与实现
基于FPGA的数字信号处理系统设计与实现数字信号处理（DSP）是对数字信号进行处理和分析的技术方法，广泛应用于通信、音频、图像等领域。
其中，利用可编程逻辑器件进行数字信号处理的算法加速已成为一种重要的技术趋势。
本文主要讨论基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的数字信号处理系统的设计与实现。
一、FPGA的基础知识及特点FPGA是一种具有可编程逻辑和可编程连接的硬件器件，能够实现用户自定义的数字电路功能。
与固定功能的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）相比，FPGA具有灵活性强、开发周期短、成本低等优势。
在数字信号处理系统中，FPGA可以作为一种高性能的实现平台。
二、数字信号处理系统的基本框架数字信号处理系统通常包括信号的采集、预处理、算法处理和结果输出等步骤。
在FPGA上实现数字信号处理系统时，通常将这些步骤划分为不同的模块，并将其设计成可并行执行的结构，以提高系统的吞吐量和性能。
1. 信号采集与预处理信号采集模块通常用于将模拟信号转换成数字信号，并对其进行采样和量化处理。
预处理模块则用于滤波、降噪、增益控制等处理，以准备信号供后续的算法处理模块使用。
2. 算法处理算法处理模块是数字信号处理系统的核心，其中包括常用的信号处理算法，例如快速傅里叶变换（FFT）、数字滤波器、自适应滤波器等。
这些算法通常采用并行处理的方式，以提高系统性能。
3. 结果输出结果输出模块将经过处理的数字信号转换成模拟信号，并通过数字至模拟转换器（DAC）输出。
此外，还可以添加显示设备或通信接口，以直观地观察处理结果或将结果传输到其他设备。
三、基于FPGA的数字信号处理系统的设计流程基于FPGA的数字信号处理系统设计一般包括硬件设计和软件设计两个层面。
1. 硬件设计硬件设计主要包括系统的功能分析与规划、模块的设计与实现以及系统的验证与测试。
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计
电子信息工程技术毕业设计--基于FPGA的数字信号处理系统设计电子信息工程技术毕业设计通常需要涵盖电子信息工程领域的多个方面，包括电子线路设计、数字信号处理、通信原理、电磁场与电磁波、嵌入式系统等。
题目：基于FPGA的数字信号处理系统设计一、研究背景与意义数字信号处理是电子信息工程技术领域的重要分支，广泛应用于通信、音频、图像处理等领域。
随着科技的不断发展，数字信号处理系统的性能和速度要求越来越高。
FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可编程逻辑器件，具有高性能、灵活性好、开发周期短等优点，适用于数字信号处理系统的设计。
二、研究内容与方法1.研究内容（1）FPGA芯片选型及编程语言研究：选择合适的FPGA芯片型号，学习并掌握FPGA的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编程。
（2）数字信号处理算法研究：研究并实现常见的数字信号处理算法，如FIR滤波器、FFT变换等。
（3）系统硬件设计：设计数字信号处理系统的硬件架构，包括FPGA、AD/DA转换器、存储器等器件的连接与配置。
（4）系统软件设计：编写数字信号处理系统的软件程序，实现算法的处理和控制功能。
（5）系统性能测试与分析：对设计的数字信号处理系统进行性能测试和结果分析，验证系统的正确性和性能指标。
2.研究方法（1）文献综述：通过查阅相关文献和资料，了解FPGA在数字信号处理系统中的应用和发展现状。
（2）理论分析：对数字信号处理算法和FPGA的硬件编程进行理论分析和研究。
（3）实验验证：搭建实验平台，对设计的数字信号处理系统进行实验验证和性能测试。
（4）结果分析：对实验结果进行分析和讨论，优化和改进系统的性能和设计。
三、预期成果与展望通过本次毕业设计，预期能够实现以下成果：1.掌握FPGA的硬件描述语言编程和数字信号处理算法的理论知识。
2.设计并实现一个基于FPGA的数字信号处理系统，提高系统的性能和速度。
3.通过实验验证和性能测试，优化和改进系统的性能和设计，提高系统的稳定性和可靠性。
基于CPLD-FPGA技术的数字系统设计研究
基于CPLD/FPGA技术的数字系统设计研究摘要：cpld/fpga是复杂的可编程逻辑器件，都是由pal、gal 等器件发展而来。
cpld/fpga技术的数字系统设计，主要包括设计面积和速度两个方面，该文主要通过资源共享设计和流水线设计等来研究cpld/fpga技术的数字系统设计，希望在应用中有一定的借鉴作用。
关键词：数字系统 cpld/fpga 设计中图分类号：tp332 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2013）02（c）-00-011 cpld/fpga技术cpld/fpga是复杂的可编程逻辑器件，属于规模化的集成电路的范畴。
目前，该技术的集成度已经达到200万门/片，融合了asic 高集成度的特点以及可编程逻辑器便于设计生产的特点，比较适用于开发小批量产品和样品的研究制造，缩短了产品上市的时间。
cpld内利用长度固定的金属线把各逻辑块连接起来，设计出的各种逻辑电路都可以很好的预测时间，有效地弥补了分段式互连结构在时序不完全预测中的缺点。
cpld的特点有编程灵活、设计开发周期短、集成度高、适用范围宽、工具先进、成本较低、不用测试、价格大众化等。
cpld在众多的电路设计规模比较大，所以在产品的设计和生产上得到广泛应用，可以说cpld适用于所有可以使用中小型数字系统的集成电路的场合。
目前，cpld技术的数字系统器件已经成为电子产品必要的组成部分，关于cpld的设计和使用是电子工程师一种必备的技能。
fpga也是由pal和gal等发展而来，它以半定制电路的形式在asic中出现，既弥补了定制电路的缺陷，又消除了可编程器件的缺点。
fpga主要由输出输入模块、可配置逻辑模块和内部连线构成，在编程方面不限次数。
fpga作为复杂的可编程逻辑器件，在结构上和传统逻辑电路以及pal和gal器件有着很大的不同。
fpga采用小型查找表进行组合逻辑，每一个查找表都通过输入端连接一个触发器，再由触发器驱动另外的逻辑电路，构成的这种基本的逻辑单元模块有组合逻辑功能和时序逻辑功能，不同的逻辑模块之间是由金属线连接在一起的。
(完整word版)基于FPGA的数字通信系统报告
基于FPGA的数字通信系统设计指导老师：李东明项目负责人：何兴凯项目成员：杜川王光辉李莉玲摘要：设计并实现了了一种基于FPGA的片上数字通信系统。
系统主要由编译码模块，调制解调模块，频率合成模块，FIR数字滤波模块，位同步模块以及加密解密模块组成，由这些模块组成一个完整的通信系统片上系统。
一、项目背景在通信领域，尤其是无线通信方面，随着技术的不断更新和新标准的发布，通信系统也在朝着高速率，高质量，高可靠性等方向不断发展着。
但可以清楚地看到，当今动辄成百上千兆的数据流一股脑的涌进，任何一个高速数据传输系统的稳定性和安全性等方方面面都面临着极大的挑战，稍有考虑不周之处就会引起各种各样的问题，为了提高通信系统的稳定性，将系统构建在一个芯片的内部，即构建所谓的片上系统，应该可以大幅度提高系统的稳定性。
借助于通信原理以及EDA技术等课程的专业知识，设计了一个基于FPGA的数字通信系统，主要目的是在片上系统的设计思想指导下，设计并实现一个片上数字通信系统。
二、系统总体方案设计鉴于当前高速数字通信系统的设计方案大多是现场可编程门阵列（FPGA）加片外存储介质（SDRAM、SRAM、DDR等）的组合，本次设计方案同样采用这种组合方式，具体为一片FPGA、三片静态存储器（SRAM）和一片高速数据传输芯片。
FPGA具有管脚多、内部逻辑资源丰富、足够的可用IP核等优点，用作整个高速数字通信系统的控制核心极为合适，本方案中选用Altera公司的高性价比CycloneII系列FPGA芯片；静态存储用具有的一大优点就是数据读取速度快，且控制信号简单，易操纵，适用作高速数据存储介质，其处理速度和存储容量均满足系统设计的需要。
与传统的DSP（数据信号处理器）或DPP（通用处理器）相比，FPGA在某些信号处理任务中表现出非常强的性能，而单片机的处理也显然逊色很多。
以下为整体的系统流程图：图1 系统设计框图三、程序运行平台Quartus II 9.0；Nios II 9.0 IDE ；Alter SOPC Builder 等四、系统模块具体实现1、编译码模块：信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，二是模拟信号完成AD转换后，可以实现数字化传输。
FPGA现代数字系统设计
2.2 Verilog HDL 基本结构
语言本身提供了各种层次抽象的表述， 可以用详细程度有很大差别的的多层次模 块组合来描述一个电路系统。 行为级：技术指标和算法的Verilog描述 RTL级：逻辑功能的Verilog描述 门级 ：逻辑结构的Verilog描述 开关级：具体的晶体管物理器件的描述
a b sl out
结构级
module muxtwo (out, a, b, sl); input a,b,sl; output out; a not u1（ns1，sl）； and #1 u2（sela，a，nsl）； and #1 u3 （selb，b，sl）； b or #2 u4（out ，sela，selb）； endmodule
低电平有效的信号经过锁存器锁存后，其命名应在_n后加r。如 CpuRamRd_n信号，经锁存后应命名为CpuRamRd_nr 多级锁存的信号，可多加r以标明。如CpuRamRd信号，经两级触 发器锁存后，应命名为CpuRamRd_rr。
3)
Verilog HDL测试模块： 用Verilog HDL描述的模块，
可以用来产生测试信号序列并可以接收被测试模块的信 号，用于验证所设计的模块是否能正常运行，往往不可 综合成具体门级电路。
4）Verilog HDL顶层（测试）模块：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
需
Page 5
为什么采用FPGA
高性能，能够达到以前用ASIC才能实现的 性能；
并行执行； 可以灵活配置，和ASIC相比大大缩短了开
发周期； 低成本；
讼
Page 6
为什么采用FPGA
FPGA和DSP的性能比较
师
Page 7
为什么采用FPGA
DSP基本是串行的，并行程度有限，但是 编程调试要容易许多；
FPGA可以在资源允许的前提下，尽量的提 高硬件的并行程度，但是面向更低的逻辑 层，因此设计和调试都要复杂，尤其是并 行程序调试，现在还没有好的解决方案；
DSP易于实现一些复杂的信号处理算法， 目前的高端FPGA都集成了DSP核。
比
Page 8
目录
FPGA简介 为什么采用FPGA 开发平台和设计工具 HDL（硬件描述语言） FPGA的设计原则 系统设计开发流程
不仅仅是这一次设计本身的代价； 还应该考虑将来维护和升级的代价。
如果客观上没有差别，那就根据相应的设 计工具进行选择。
临
Page 19
设计开发工具
Xilinx公司的配套工具：
Foundation，界面简单，比较容易上手，但是 功能不够强大，而且支持较少；
ISE，功能十分强大，Xilinx公司推荐的开发软 件，有广泛的支持；
第三方的开发工具：
仿真软件：
ActiveHDL，界面友好，使用比较简单； ModelSim，功能强大的仿真软件，工业界应用广泛，
Xilinx的ISE工具中采用的就是ModelSim的XE版本； Cadence公司NC-Verilog、NC-VHDL和NC-Sim，
其中NC-Verilog的前身是著名的Verilog-XL。
同人
Page 13
Spartan-II中slice的结构
Xilinx
Virtex系列
Virtex Virtex-E Virtex-II
和Virtex系列相比，增加了独立乘法器，而且提高了 RAM块的容量；
Virtex-II Pro
增加了PowerPC处理器核、RocketIO高速收发器和 高性能的时钟管理单元。
PowerPC 405
嵌入式PPC405核的结构图
豫
Page 16
Altera
MAX / MAX II
属于CPLD的范畴
ACEX / FLEX
低成本的FPGA
Cyclone
中等规模的FPGA
随
Page 17
Altera
Stratix / Stratix II
高性能FPGA 含有DSP模块 大量的片上Memory
贲
Page 22
目录
FPGA简介 为什么采用FPGA 开发平台和设计工具 HDL（硬件描述语言） FPGA的设计原则 系统设计开发流程
剥
Page 23
HDL
目前工业界有两种主要的标准HDL：VHDL 和Verilog。
以上两种语言各有优缺点，但是无论是哪 种语言，都存在有一大类为其设计的单元 库，因此绝大部分的仿真工具都支持VHDL 和Verilog的混合仿真。
逻辑综合软件：
通常可以采用配套工具中的综合软件，但是有的时 候为了得到比较优化的结果，必须采用专业的综合 软件；
比较好的有Synopsys公司的FPGA Compiler II（替 代原有的FPGA Express）和Synplicity公司的 Synplify系列软件。
噬嗑
Page 21
设计开发工具
Spartan / Spartan-XL
Spartan-II
Spartan-IIE
Spartan-3
泰
Page 11
世界上第 一款采用 90nm工 艺制造的 FPGPage 12
Slice结构
Slice是比CLB更
小的逻辑单元， Spartan-II中， 每个CLB含有2 个Slice，每个 Slice又含有2个 LUT（查找表） 和2个FF（触发 器）。
小畜
Page 9
开发平台和设计工具
目前主流的FPGA芯片厂家
Xilinx Altera Actel Lattice 其他
芯片和设计工具的选择
根据应用和设计开发工具进行选择
履
Page 10
Xilinx
XC系列
用于小规模设计
CoolRunner系列
属于CPLD
Spartan系列
坤
Page 2
FPGA简介
FPGA结构图
屯
Page 3
FPGA简介
结构组成：
可配置逻辑单元（CLB） IO模块（IOB） Memory资源 可编程的互连线（PI） 时钟网络 其他内嵌资源（DSP，CPU等）
蒙
Page 4
目录
FPGA简介 为什么采用FPGA 开发平台和设计工具 HDL（硬件描述语言） FPGA的设计原则 系统设计开发流程
Altera公司的配套工具：
Max+Plus II，在国内的应用很广泛； Quartus II，Altera公司新一代的FPGA开发工
具。
观
Page 20
设计开发工具
第三方的开发工具：
设计输入软件：
一般的文本编辑器，如UltraEdit等； 图形化的输入软件，如VisualVerilog等；
Mercury / Stratix GX
带有高速传输接口，用于高性能高速系统设计
NOIS软处理器
用Verilog编写的可编程CPU核，可以集成到其 他FPGA中
蛊
Page 18
芯片和平台的选择
主要还是看应用本身，哪款芯片能够用最 低的成本实现设计所要求的功能，就选择 哪款芯片；
成本的概念：
大有
Page 14
Virtex-II Pro
XC2VP2-XC2VP100
1-2个PPC405核；
8-20个RocketIO收发 器，最大可达100Gb/s 的全双工数据率；
最高8Mb的Memory， 同时带有高速片外内 存接口；
大量18x18bit乘法器。
谦
Page 15
Virtex-II Pro基本结构
采用FPGA实现数字系统
Implementing the digital system using FPGA
乾
Copyright © EDA Group, EE Dept. of Tsinghua Univ.
December 12, 2020
目录
FPGA简介 为什么采用FPGA 开发平台和设计工具 HDL（硬件描述语言） FPGA的设计原则 系统设计开发流程