Traitement des signaux numériques (DSP) pour les FPGAs

Ce cours de 3 jours présente les fondamentaux de traitement des signaux numériques (DSP) pour une implémentation sur un FPGA. L'accent sera mis sur le coût, incluant les ressources et les performances, associé à l'implémentation de diverses techniques et algorithmes de traitement du signal. Les sujets abordés sont:

Introduction au matériel et à la technologie FPGA pour les applications de traitement de signal numérique
Arithmétique en virgule fixe
Techniques de graphes de flux de signal
Génération de code HDL pour FPGAs
Implémentation de la Tranformée de Fourier Rapide (FFT)
Conception et implémentation de filtres FIR, IIR et CIC
Algorithme CORDIC
Conception et implémentation d'algorithmes adaptatifs tels que les algorithmes LMS et QR
Techniques de synchronisation et rétablissement du timing de communications numériques

Pré-requis

Les Fondamentaux MATLAB^® et Simulink^® pour la Modélisation de Systèmes et d'Algorithmes

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Pré-requis

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Jour 1
Introduction au matériel DSP FPGA	Objectif: Introduire le traitement du signal numérique et les FPGA. Comprendre l'architecture globale des FPGA et pourquoi les FPGAs ne sont adaptés qu'à l'implémentation d'algorithmes DSP. De la logique discrète aux FPGAs - Un peu d'histoire! Le système DSP générique Examen des coeurs et processeurs DSP ASICs spécialisé et semi-spécialisé System-on-chip (SOC) FPGA flexibilité et fonctionnalités FPGAs vs DSPs programmables
Algorithme de systèmes DSP linéaires	Objectif: Revoir les concepts fondamentaux du théorème d'échantillonnage, la quantification, l'analyse de Fourier et la conception de filtre numérique. Aliasing et filtres de reconstruction Pas d'échantillonnage et taille de mots Notation du domaine Z et analyse fondamentale Filtres FIR et IIR Conception et spécification de filtres FIR et IIR Techniques de suréchantillonnage (sigma delta)
Technologie FPGA	Objectif: Explorer les différentes familles et architectures de FPGA Xilinx. Fournir une introduction aux FPGAs Spartan 3 et Virtex-5. L'évolution de la technologie FPGA Taux d'horloge, de données et pas d'échantillonnage Mémoire et registre de FPGA Blocs d'entrée/sortie et FPGA Blocs Bits, Slices and Configurable Logic Evaluation des performances de MIPs similaires Familles de FPGA et sources
Eléments de FPGA pour les algorithmes DSP	Objectif: Comprendre les tranches DSP, les ressources d'horloge et la consommation d'énergie. Construction de lignes de retard et de registres à décalage Utilisation de la RAM (mémoire) des FPGAs Série vers parallèle et Parallèle vers série Multiplexeurs pour la sélection de canal Additionneurs complets, circuit logique, et arbres d'additionneurs Multiplieurs: Décalage et Addition; Basé sur la ROM Implémentation efficace de multiplieurs
Arithmétique DSP essentielle	Objectif: Comprendre l'arithmétique en virgule fixe binaore. Associer les opérations arithmétiques au matériel FPGA Xilinx. Arithmétique du complément à 2 en virgule fixe Additionneurs fondamentaux et tableaux de multiplieurs Division et tableaux de racines carrées….pas si facile! Problèmes de taille de mot et arithmétique virgule fixe Saturation et wraparound Overflow et underflow
Techniques de Signal Flow Graph (SFG)	Objectif: Revoir la représentation des algorithmes DSP en utilisant le graphe de flux de signal. Utiliser la méthode de Cut Set pour améliorer les performances temporelles. Implémenter des filtres FIR parallèles et séries. Graphe de flux de signal de filtre numérique/DSP Latence, retards et "anti-retards"! Re-timing: Cut-set et mise à l'échelle de retard Le FIR transposé Pipelining et architecture multicanaux Topologies SFG pour FPGAs

Jour 2
Traitement dans le domaine fréquentiel	Objectif: Discuter la théorie et l'implémentation FPGA de la Transformée de Fourier Rapide (FFT). DFT, FFT et IFFT Architectures FPGA pour la FFT Augmentation de la taille des mots et précision pour la FFT
Traitement de signaux à taux multiples pour FPGAs	Objectif: Développer une structure polyphasé pour une implémentation efficace d'un filtre multi-taux. Utiliser le filter CIC pour l'interpolation et la décimation. Sur-échantillonnage et filtres d'interpolation Sous-échantillonnage et filtres de décimation Arithmétique efficace pour l'implémentation FIR Intégrateurs et différentiateurs Filtres demi-bande, moyenne glissante et peigne Filtre Cascade Integrator Comb (CIC) (Hogenauer) Arithmétique efficace pour le filtrage IIR
Techniques CORDIC	Objectif: Introduire l'algorithme CORDIC pour le calcul de diverses fonctions trigonométriques. Mode de rotation et mode vecteur CORDIC Calcul des fonctions cosinus et sinus Calcul de la norme et l'angle d'un vecteur Architecture pour l'implémentation d'un FPGA

Jour 3
Algorithmes et applications DSP adaptifs	Objectif: Introduire l'algorithme LMS pour le traitement de signal adaptatif. Illustrer l'algorithme QR comme une technique de moindre carrés récursifs (RLS) et pourquoi il est particulièrement adapté pour l'implementation sur FPGA. Applications adaptatives (égalisation, beamforming) Algorithmes LMS et implémentation parallèle Algorithmes LMS non-canoniques Algèbre linéaire; résoudre des systèmes d'équations linéaires L'algorithme QR pour le traitement de signal adaptatif Conditions pour le traitement QR et problèmes numériques
Communications DSP actives et FPGAs	Objectif: Revoir la modulation quadrature et la formation d'impulsions. Discuter l'implémentation d'oscillateurs numériquement contrôlés. Quaternary Phase Shift Keying (QPSK) Filtres de transmission/réception - Root Raised Cosinus Sous-échantillonnage et sous-conversion numérique Sur-conversion numérique directe Etapes IF numériques (et systèmes fs/4) Oscillateurs contrôles numériquements (NCO) Partitionnement de la conception pour FPGAs
Problèmes de synchronisation et de timing	Objectif: Traiter la récupération des symboles de timing, la récupération de phase de porteuse, la récupération de fréquence de porteuse et la synchronisation de trame. Récupération de porteuse, boucles de quadrature et Costas, PLLs Rotation de phases; Conversion de pas d'échantillonnage Récupération des symboles de timing, détection de porte tôt/tard Timing de boucle à retard verrouillé et synchronisation