基于FPGA的信号去直流的方法

本文介绍了一种信号去直流的新方法，但不是所有场合都试用，如果FPGA平台DSP资源比较少，如SPARTAN系列，建议采用常规累加+移位的方法。而本文实例中采用Kintex7系列FPGA，有丰富的DSP资源，而采用此方法整个模块只需要1个DSP48E1，并且能高速处理，因此非常适用。 【基于FPGA的信号去直流方法】 在数字信号处理领域，去除信号中的直流分量是一项常见的任务，因为直流分量可能会干扰后续的分析和处理。本文重点探讨了一种利用FPGA（Field-Programmable Gate Array）实现信号去直流的新方法，特别适合具有丰富DSP（Digital Signal Processing）资源的平台，例如Kintex7系列FPGA。 传统的去直流方法通常是在FPGA中对信号进行累加，然后通过移位操作提取出直流分量。例如，如果累计8192个数据，那么累加值右移13位就可以得到直流分量。然而，这种方法对于DSP资源有限的FPGA，如SPARTAN系列，可能不太适用，因为它需要较多的逻辑资源。 本文提出了一种基于一阶滤波器原理的去直流方法。一阶滤波器可以通过一个RC网络来实现，它等效为一个低通滤波器，可以有效地分离出直流分量。该方法的基本公式可以表示为： Vo = Vi - k * (Vi - Vo) 通过定义适当的系数k，可以进一步简化为： Vo = (1-k)*Vi + k*Vo 这种形式与Xilinx FPGA中的DSP48E1单元的结构高度匹配。DSP48E1是一个强大的数字信号处理元件，集成了预加法器（Pre-Adder）、乘法器（Multiplier）和累加器（Accumulator）。利用DSP48E1，可以高效地实现上述公式，只需要一个DSP48E1资源就能完成去直流操作。 具体实现过程中，可以利用Xilinx ISE（Integrated Software Environment）提供的HDL语言模板，找到ADDMACC_MACRO宏定义，将其例化到程序中。以下是一个简单的去直流模块的DSP48E1实现代码示例： ```verilog module DCOff_DSP( input clk, input rst, input [15:0] din, output [15:0] dc ); wire signed [31:0] PRODUCT; wire signed [15:0] K; wire signed [31:0] ACOUT; assign K = 16'h0085; ADDMACC_MACRO #( .DEVICE("7SERIES"), // 目标设备，可以是"VIRTEX6", "SPARTAN6", "7SERIES" .LATENCY(4), // 预期时钟周期延迟，0-4 .WIDTH_PREADD(16), // 预加法器输入宽度，1-25 .WIDTH_MULTIPLIER(16),// 乘法器输入宽度，1-18 .WIDTH_PRODUCT(32) // MACC输出宽度，1-48 ) ADDMACC_MACRO_inst ( .PRODUCT(PRODUCT), // MACC结果输出，宽度由WIDTH_PRODUCT参数定义 .CARRYIN(1'b0), // 1位进位输入 .CLK(clk), // 1位时钟输入 .CE(1'b1), // 1位时钟使能输入 .LOAD(1'b1), // 1位累加器加载输入 .LOAD_DATA(PRODUCT), // 累加器加载数据输入，宽度由WIDTH_PRODUCT参数定义 .MULTIPLIER(K), // 乘法器数据输入，宽度由WIDTH_MULTIPLIER参数定义 .PREADD2(-PRODUCT[31:16]), // 预加法器数据输入，宽度由WIDTH_PREADD参数定义 .PREADD1(din), // 预加法器数据输入，宽度由WIDTH_PREADD参数定义 .RST(rst) // 1位高电平同步复位输入 ); assign dc = PRODUCT[31:16]; // 输出直流分量 endmodule ``` 这个模块的综合结果将展示其在实际FPGA硬件中的效率和资源利用率。使用这种方法，不仅能够节省FPGA的逻辑资源，而且由于DSP48E1的高速处理能力，可以实现实时、高效的信号去直流功能，尤其适用于对处理速度有较高要求的应用场景。 基于FPGA的信号去直流方法通过巧妙利用DSP48E1单元，提供了一种高效、节省资源的解决方案。对于拥有丰富DSP资源的Kintex7系列FPGA，这种方法尤为适用，能够在不牺牲性能的情况下，优化硬件资源的使用。