用DSP和FPGA構成多普勒測量系統

隨著FPGA性能和容量的改進，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中同時使用處理器和FPGA，采用協處理架構，讓FPGA執行預處理或后處理操作，以加快處理速度。本文說明如何將FPGA和與固定功能DSP結合起來使用,設計一個基于多普勒測量原理的非侵入式測量系統。

圖1：電子束聚集技術。



傳統上，大量的應用設計使用專門的數字信號處理(DSP)芯片或專用標準產品(ASSP)并通過信號處理算法來處理數字信息，濾波、視頻處理、編碼與解碼、以及音頻處理等僅僅是眾多采用 DSP 的應用中的一部分而已。

現在，隨著 FPGA 性能和容量的改進，以及可以在大多數 DSP 應用中看到的通用算術運算的效率的提高，使用FPGA執行DSP功能的做法變得越來越普遍。在許多情況下，同一應用中同時使用處理器和FPGA，采用協處理架構，讓FPGA執行預處理或后處理操作，以加快處理速度。

顯示此種趨勢的應用之一是多普勒測量系統，它可以測量固體或液體在各種環境中流動的速度。從管道中流動的油，到人的心臟中流動的血液，相對于以前的方法，基于多普勒測量原理的非侵入式測量方法可以極大地降低風險，減少成本和提高精度。一般來說，這些系統都是采用 DSP技術，將FPGA和如TI公司提供的固定功能DSP器件之類結合起來使用。

多普勒測量系統

多普勒測量系統利用多普勒效應測量運動目標(固體、液體或氣體)的速度。最著名的應用大概要算雷達槍了，交通巡警利用它檢測超速汽車。

在測量除汽車速度之外的其他物體的運動(例如心臟中血液的流動)時，需要進行多種測量，來確定更為復雜的流動的細節。方法之一是利用電子束聚集技術。

在這種技術中，將使用大量探測器(許多小雷達槍)測量從發射源返回的頻率。這些探測器沿拋物線分布(如圖1 所示)，因此從焦點返回的信號將會同時到達每個探測器。將這些信號組合起來，并對顯著速度的微小波動進行少量處理，就可以確定位于焦點處的物體的速度。如果可以移動探測器來對整個關注區域進行掃描，那么這種方法效果會相當好，但是如果沒有這樣的條件，則可以采用另外一種技術，它可以獲得同樣的結果。通過插入一定的可編程的延遲，改變各個探測器的輸入組合的時間，可以將焦點改變到關注區域中的幾乎任何位置。例如，加入一定的固定額外延遲可以使焦點遠移，而改變延遲來縮短探測器一側的傳播路徑則會使焦點向該側移動。

圖2 顯示了如何利用可調延遲產生拋物線形效果。可調延遲功能在富含寄存器的FPGA中極易實現，并可能成為從傳統DSP中剝離作為協處理器功能的一種功能。

系統實現示例

圖 3 顯示了一種系統實現示例的框圖。位于圖中部的 FPGA 負責產生發射器使用的輸出信號。該實現采用Xilinx直接數字頻率綜合器IP核，可方便地產生各種波形。可以根據測量目標的不同輕松改變頻率。

圖2：具有延遲功能的電子束聚集技術。



探測器測量返回信號的模擬值，產生饋送到FPGA的數字值。FPGA對輸入信號執行部分初步濾波運算，來調整探測器的位置。然后FPGA向每個探測器數據流中插入一定可編程延遲，以實現電子束聚集功能。數據流被組合起來，一個數字濾波器負責確定信號的頻率分量。這樣就得到了確定焦點速度所必需的多普勒讀數。

在FPGA的內部有一個MicroBlaze軟核，控制著測量過程，從而實現高層次的功能，如掃描、初始化、測試，以及診斷等。