Filtro Wiener Fpga

Jose Torres País

Estudio de la implementación en FPGAs del filtro de Wiener para la predicción de series temporales.

Abstract
Dentro de la evolución de los sistemas digitales, es importante tener en cuenta los nuevos dispositivos programables (FPGAs) y su aplicación en funciones para procesar datos y señales. En este texto, se intentará abordar el modelado de un sistema digital (Filtro deWiener), usado en la predicción de series temporales, utilizando herramientas de programación y síntesis para su posterior implementación en estas estructuras.

Introducción

L

as siguientes páginas presentan la descripción global del diseño, desarrollo e implementación del Filtro de Wiener sobre un dispositivo lógico programable; empleando para ello técnicas modernas y flexibles de diseñohardware además de programas habituales para simulaciones fiables y rápidas de sistemas de procesado digital de señales y predicción de series temporales. De esta forma, se pretende obtener un dispositivo de especificación general capaz de adaptarse a cualquier condición de operación sobre un amplio margen de utilidades. A su vez, y al ser de naturaleza general y flexible, se busca que posea unaalta capacidad y velocidad de procesado con un costo mínimo. Para ello, usaremos las herramientas que nos ofrecen los fabricantes de FPGAs (Xilinx y Altera) para realizar sencillos diseños dentro de Simulink. Con estas librerías seremos capaces de modelar un Filtro de Wiener, realizar simulaciones rápidas, optimizar su funcionamiento y como paso final desarrollar el código necesario para poder serimplementado posteriormente en un dispositivo lógico programable que nosotros consideremos suficiente para nuestra aplicación. La intención de este trabajo es dar a conocer la capacidad que poseen tanto las herramientas usadas por las FPGAs como las ventajas que poseen estas frente a los DSPs y Microcontroladores. Así mismo, demostrar como sin variar en demasía las utilidades normalmente usadaspara simulaciones de procesado digital se puede obtener de forma sencilla un código que nos permita su implementación en un dispositivo real.

Dispositivos lógicos programables
Dentro de los dispositivos lógicos programables, las FPGAs (Field Programmable Gate Array) se caracterizan por sus múltiples celdas lógicas interconectadas por una matriz de líneas de conexión e interruptoresprogramables. Cada celda lógica presenta una mezcla de puertas AND y OR, así como registros y multiplexores. Todo ello dependiendo del modelo de dispositivo.

Mediante estos recursos es posible implementar funciones matemáticas y de almacenamiento de datos, así como sistemas digitales complejos del tipo Filtro de Wiener. Otra ventaja importante es la posibilidad de realizar modificaciones sin que estoimplique grandes alteraciones en el hardware o software. La lógica programable ofrece una solución alternativa para las funciones de computación creadas en el procesamiento de series temporales. Esta lógica combina la flexibilidad de una función específica con la velocidad de procesamiento y el bajo costo que se requiere para su realización. En algunas aplicaciones reemplaza completamente a los DSPs(Digital Signal Processor). En la siguiente figura se puede observar como una multiplicación-acumulación se realiza de una manera más rápida en una FPGA que en un DSP. La FPGA realiza un procesado en paralelo mientras que el DSP lo hace secuencialmente.

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Existen dispositivos DSP de alto rendimiento en el mercado, pero no satisfacen todas las aplicaciones, debido a su complejidad de cómputoo su alto costo de realización. Las FPGAs nos proporcionan aumentos en la ejecución de funciones de mayor orden de complejidad que si las tratáramos con DSPs tradicionales y con la misma flexibilidad de manejo. La estructura que aquí se va a desarrollar intenta tener un contenido aprovechable desde el punto de vista académico y práctico. Para nuestro caso, la arquitectura de una FPGA es ideal...