电子工程专辑
UBM China

高端FPGA开始向传统DSP应用领域渗透

上网日期: 2005年07月23日 ?? 作者: 陈路 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友

关键字:FPGA? DSP? 信号处理? ASSP?

尽管DSP的工作时钟频率已提升到GHz级,但对于一些需要很高数字样本处理速率的高端应用(如需要1024抽头FIR/IIR滤波器和1024复点FFT的雷达和声纳信号处理系统)来说, DSP仍然不能满足系统对实时性的要求。根据市场研究公司BWRC的工业分析家Jan Rabaey的研究报告,自上世纪七十年代以来,算法复杂度与传统DSP的性能之间一直有一个落差。而且近年来SD/HD视频、雷达、WiMAX、OFDM、MIMO、UWB、3G、成像、SDR(软件无线电)、以及4G技术和应用的快速发展也对系统处理性能提出了越来越高的要求,其所需算法复杂度也直线上升,从而使得这一落差呈现进一步扩大态势。

传统上,这一落差一直由专用信号处理芯片ASIC或ASSP(如FFT专用芯片)来填补。现在,随着FPGA性能的提高、成本和功耗的下降、以及开发工具的完善,FPGA开始以预处理器和协处理器的角色向这一块DSP尚无法覆盖的20亿美元的信号处理细分市场渗透,而且市场前景正变得越来越光明。这主要是因为ASIC和ASSP较长的上市周期和越来越昂贵的开发费用已很难满足客户适应一个技术和标准都在不断变化的市场的要求,而FPGA提供的灵活性、优越的并行信号处理能力、较短的上市周期、和逐渐完备的软件开发工具正好可以满足这一要求。

Omit Tahernia:FPGA比
DSP更适合需要很高实时性能的多
通道音/视频应用。

尽管FPGA更多地用于在数字系统中实现胶合逻辑和新外设或总线接口,但在高性能实时音视频和成像应用中,它越来越多地替代传统的ASIC或ASSP用作DSP的预处理器或协处理器,以提升系统的数字信号处理能力。

赛灵思公司亚太区DSP产品行销经理Francis Kua表示,目前最强大的GHz级DSP具备处理1到6个视频通道的能力(取决于格式和数据宽度)。如果某个用户希望增加通道密度,他将不得不采用多个DSP。另一方面,一个Virtex FPGA器件可以实现32个通道的音视频解码任务,而当前最强大的DSP只能实现4个通道。

一般来说,一个DSP可单独用于处理4通道左右的QCIF、CIF、D1、SD分辨率的JPEG、MPEG-2、H.263、MPEG-4、H.26??视频编码或解码任务,但当系统需要同时处理的通道数超过4个或需要实现HD分辨率、以及上述标准的编解码任务时最好采用DSP+FPGA的解决方案。

不过,在多通道高性能实时音视频和成像应用领域,FPGA已表现出替代DSP的趋势。这是因为越来越多的用户发现,单个DSP在处理能力上已经无法满足多通道实时音视频处理要求。此时,一种选择是采用多个DSP方案,但这将增加成本、功耗、PCB板尺寸和设计复杂度。另一种选择是放弃DSP,改而采用数字信号处理能力更强的FPGA方案。

“对于高性能实时视频应用而言,FPGA更适合充当DSP的协处理器。”赛灵思公司副总裁兼新成立的DSP部总经理Omit Tahernia指出,“但对于需要很高实时性能的多通道音/视频应用来说,FPGA要更为合适,因为此时FPGA在每通道所需成本指标上的表现已经优于DSP。”

他接着说:“无线和有线通信基础设备(如3G/4G基站和有线电视转发器)、以及多媒体音视频和图像处理设备(如音视频广播设备和家庭网关)已经成为赛灵思高端FPGA的两个最大应用市场,排在其后的是军事应用(如实时性要求很高的雷达和声纳信号处理系统)和其它一些应用(如图形图像测试和测量仪器)。而在中国,无线通信基础设备已上升为最大的应用市场。”

这些应用大都需要多通道实时数据处理能力和高复杂性算法,如H.26?、SD/HD AVC SD、MPEG-4、WMV9等,而这正是高端FPGA的用武之地。而且不管这些标准或算法如何演进,设备开发商和终端用户都无需增加它们的硬件投资。

高端FPGA目前主要针对需要很高性能的多通道实时音/视频和图像处理应用。目前两大主要FPGA供应商都推出了针对这些应用市场的DSP性能增强型FPGA,如Altera最大的Stratix II器件EP2S180含有96个DSP块,它可提供最大173 GMACS的数据吞吐量和以450MHz的频率支持同时进行高达384个18×18乘法;赛灵思最新一代Virtex-4 SX55 可以提供256 GMACS的数据吞吐量、支持以高达500MHz的频率同时进行高达512个18×18乘法和48位累加操作,而且与同样采用90纳米工艺的FPGA竞争产品相比,静态功耗可减少76%,MAC功能的动态功耗减少20%。

不管是Stratix II还是Virtex-4 FPGA,它们都可以用来单独实现需要很高数字信号处理吞吐量的完整DSP系统,当然它们也可在DSP应用中用作协处理器来加速对系统性能起关键作用的DSP功能(如WM9、CDMA2000、1x EV-DV、HSDPA、回声消除、数字均衡、FIR滤波、FFT、WCDMA和WiMAX),这些功能如果用宿主DSP处理器来实现的话不是会消耗掉大部分处理能力,就是会降低整个系统的性能。

赛灵思Virtex-4 SX系列FPGA是可编程DSP的理想协处理器。目前,Virtex系列FPGA已在全球数以万计的基站产品中被用于数字预失真处理和波峰因数降低等应用。SX35和SX55的性价比已完全可媲美或超过ASIC/ASSP,而且它独特的‘微功耗’架构使得每个XtremeDSP块在100MHz工作频率下消耗的功率仅为2.3mW。

Virtex-4 SX35/55 FPGA支持16位和32位浮点18×18 MAC运算,并支持业界已经过验证的大多数DSP算法和主要的DSP设计工具,如赛灵思最近刚在其DSP IP库中添加的DVB FEC编码器内核,以及为数字通信系统设计而推出的System Generator for DSP v7.1开发工具和XtremeDSP开发套件。

System Generator for DSP v7.1提供了一个从系统建模到硬件验证的完整开发环境,它可与Simulink、MATLAB、AccelChip、ModelSim、ISE 7.1、Platform Studio(EDK)等工具一起完成系统设计与建模、算法开发、HDL生成和协同仿真、设计硬件验证和调试,从而使得系统和DSP设计师更容易在SX系列器件上实现很高采样速率或多通道信号处理设计。

System Generator for DSP v7.1和XtremeDSP开发套件一起可设计和实现包括许多赛灵思为3G和4G基站最新开发的无线算法(包括RACH、HSDPA、DUC和DDC)的系统。

功耗是系统开发者关心的另一个重要问题。虽然目前单个FPGA的功耗一般要高于DSP,但功耗问题需要从系统的或动态的角度来看。因为DSP是靠提高时钟频率(目前最高已达到1GHz)来提升性能,而FPGA提高性能主要依靠其内部结构的并行性(目前FPGA最高时钟频率是500MHz),因此实现相同处理性能的FPGA和DSP在功耗指标上的差别不会太大。Omit Tahernia也指出:“一般来说,当处理4个通道以上相同的信号处理任务时,平均每通道消耗功率FPGA要优于DSP。”

作者:陈路






我来评论 - 高端FPGA开始向传统DSP应用领域渗透
评论:
*? 您还能输入[0]字
分享到: 新浪微博 qq空间
验证码:
????????????????
?

关注电子工程专辑微信
扫描以下二维码或添加微信号“eet-china”

访问电子工程专辑手机网站
随时把握电子产业动态,请扫描以下二维码

?

5G网络在提供1Gbps至10Gbps吞吐量方面具有很好的前途, 并且功耗要求比今天的网络和手机都要低,同时还能为关键应用提供严格的延时性能。本期封面故事将会与您分享5G的关键技术发展,以及在4G网络上有怎样的进步。

?
?
有问题请反馈
推荐到论坛,赢取4积分X