Desenvolvimento e uso de módulos para o processamento de sinais em FPGA

Autor

Bruno Marcos Espindola

Resumo

No mercado global atualmente existem diversas alternativas para o projeto de sistemas, dentre elas, os FPGAs que são dispositivos programáveis capazes de implementar circuitos digitais. Os FPGAs apresentam uma grande capacidade de processamento em função do paralelismo das operações. Este trabalho tem como resultado uma plataforma para processamento de sinais em FPGA (PS-FPGA) que possui um conjunto de módulos para: aquisição e reprodução de sinais; armazenamento e multiplicação de sinais; filtragem digital; gerador senoidal e módulos de controle. A plataforma PS-FPGA foi implementada usando dispositivos da ALTERA disponíveis no kit de desenvolvimento DSP Development Kit - Stratix II Edition. A PS-FPGA pode ser utilizada para o desenvolvimento de sistemas didáticos, que necessitam de um hardware com maior velocidade para a sua implementação devido ao intenso processamento de sinais em tempo real. Os módulos foram desenvolvidos em VHDL ou utilizando códigos disponibilizados por terceiros, denominados IP (Intellectual Property) tais como o NCO e o FIR Compiler. Os módulos desenvolvidos foram testados através de diferentes cenários de teste que implementam sistemas didáticos, com o objetivo de exemplificar, simplificar e incentivar a programação em dispositivos FPGA nos cursos da área de telecomunicações. Para o teste de alguns cenários foi necessário o uso de equipamentos externos como geradores de sinais arbitrários, osciloscópios e analisador de espectros. Também se utilizou o equipamento SignalTap, sintetizado no próprio FPGA, para a confirmação de sinais internos do FPGA. Os cenários implementados permitiram verificar o correto funcionamento dos módulos desenvolvidos. Dentre os módulos, o gerador de senoidal com frequência e ganho ajustável se destaca pela alta precisão no controle tanto do valor da frequência como na amplitude do sinal gerado. Em relação ao kit utilizado, percebeu-se que o transformador de RF existente junto aos dos conversores D/A e A/D impede o uso destes conversores para sinais de áudio, e sugere-se que em trabalhos futuros se utilize o CODEC de áudio disponível no kit para lidar com a faixa de áudio.

Palavras chave

FPGA, Processamento de Sinais, VHDL, Gerador Senoidal, Filtros.

Abstract

In the global market there are actually several alternatives for the design of systems, including the FPGAs that are programmable devices capable of implementing digital circuits. FPGAs have a large processing capacity due to the parallelism of operations. This monograph has resulted in a signal processing platform using FPGA (PS-FPGA) which is a set of modules for functions such as: signals acquisition and reproduction, signals storage and multiplication, digital filtering, sinusoidal generator and control modules. The PS-FPGA platform is implemented using the Altera EP2S60 - DSP Development Kit - Stratix II Edition. This platform can be used to development educational systems which require a high-speed hardware implementation due to the intense signal processing in real time. The modules were developed in VHDL or using codes provided by third parties, called IP - Intellectual Property such as the NCO and the FIR Compiler. All the modules were tested using some test scenarios that implement educational systems in order to exemplify, simplify and encourage the use of FPGA device in telecommunications lessons. To evaluate some scenarios external equipment were required such as: arbitrary signs generators, oscilloscopes and spectrum analyzer. In some evaluations to measure signals in the FPGA device, we also have used the Signaltap equipment, which is an IP synthesized in the same device where the modules are implemented. The scenarios implemented allowed us to verify the correct operation of the developed modules. Among the modules, the sine generator with adjustable frequency and gain stands out for the high precision in controlling the value of the frequency and amplitude of the generated signal. In relation to hardware used, it was noted that the RF transformer connected to the A/D and D/A converters, prevents the use of these converters for audio signals, and suggests that in future work to use the audio codec available in the kit to deal with audio.

Keywords

FPGA, Signal Processing, VHDL, Sine Generator, Filters.

Monografia.pdf

Publicações decorrentes do trabalho

1. Bruno Marcos Espindola, Glaucio Bertelli Peres e Marcos Moecke, Plataforma em FPGA para Processamento de voz com Wavelet (PVW-FPGA), III Jornada da Produção Científica da Educação Profissional e Tecnológica da Região Sul, pag. 112, de 29 a 01 de dezembro de 2010, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. Resumo

1. Bruno Marcos Espindola, Glaucio Bertelli Peres e Marcos Moecke, Plataforma para processamento de sinais em FPGA (PS-FPGA) - Artigo Completo

1. Bruno Marcos Espindola, Glaucio Bertelli Peres e Marcos Moecke, Plataforma para processamento de sinais em FPGA (PS-FPGA) - Resumo Extendido

Apêndices