基于FPGA的移位寄存器流水線結(jié)構(gòu)FFT處理器設(shè)計(jì)與實(shí)
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快速傅里葉變換(FFT)在雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的飛速發(fā)展，與DSP技術(shù)相比，由于其并行信號(hào)處理結(jié)構(gòu)，使得FPGA能夠很好地適用于高速信號(hào)處理系統(tǒng)。由于Altera等公司研制的FFT IP核，價(jià)錢昂貴，不適合大規(guī)模應(yīng)用，在特定領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)適合于自己領(lǐng)域需要的FFT處理器是較為實(shí)際的選擇。
本文設(shè)計(jì)的FFT處理器，基于FPGA技術(shù)，由于采用移位寄存器流水線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兩路數(shù)據(jù)的同時(shí)輸入，相比傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了蝶形運(yùn)算單元的運(yùn)算效率，減小了輸出延時(shí)，降低了芯片資源的使用。在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，因它可以采用快速傅里葉變換，能方便快捷地實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，故結(jié)合MIMO技術(shù)，設(shè)計(jì)的FFT處理器結(jié)構(gòu)，可以很好地應(yīng)用于2根天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)中。
1 FFT處理的應(yīng)用及DIF FFT算法原理
圖1給出一個(gè)2根天線MIMO-OFDM系統(tǒng)中FFT的使用。快速傅里葉變換算法基本上分為兩大類：時(shí)域抽取(DIT)和頻域抽取(DIF)，這里設(shè)計(jì)的FFT處理器采用基-2 DIF算法。
對(duì)于N點(diǎn)序列x(N)，其傅里葉變換
將x(n)分成上、下兩部分，得：
這樣將兩個(gè)N點(diǎn)的DFT分成兩個(gè)N／2點(diǎn)的DFT，分的方法是將x(k)按序號(hào)k的奇、偶分開(kāi)。通過(guò)這種方式繼續(xù)分下去，直到得到兩點(diǎn)的DFT。采用DIF方法設(shè)計(jì)的FFT，其輸入是正序，輸出是按照奇偶分開(kāi)的倒序。
2 移位寄存器流水線結(jié)構(gòu)的FFT
在傳統(tǒng)流水線結(jié)構(gòu)的FFT中，需要將全部數(shù)據(jù)輸入寄存器后，可開(kāi)始蝶形運(yùn)算。在基-2 DIF算法中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前N／2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器后，運(yùn)算便可以開(kāi)始，此后進(jìn)入的第N／2+1個(gè)數(shù)據(jù)與寄存器第一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，以此類推。
由于采用頻域抽取法，不需要對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序處理，簡(jiǎn)化了地址控制，這樣，可以采用移位寄存器的方式，依次將前N／2個(gè)數(shù)據(jù)移入移位寄存器，在N／2+l時(shí)刻，第一個(gè)數(shù)據(jù)移出移位寄存器，參與運(yùn)算。相對(duì)于傳統(tǒng)的RAM讀寫方式，采用移位寄存器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)綜合后的最大工作頻率為500 MHz，遠(yuǎn)大于RAM方式的166 MHz。
當(dāng)移位寄存器相繼有數(shù)據(jù)移出時(shí)，在移位寄存器中會(huì)出現(xiàn)空白位。此時(shí)，引入第二路數(shù)據(jù)，在第一路數(shù)據(jù)依次移出進(jìn)行蝶算時(shí)，第二路數(shù)據(jù)依次補(bǔ)充到移位寄存器的空白位中，為運(yùn)算做準(zhǔn)備。通過(guò)這樣一種類似“乒乓操作”的結(jié)構(gòu)，可以使蝶形運(yùn)算模塊中的數(shù)據(jù)不間斷地輸入，運(yùn)算效率達(dá)到100％。不同于傳統(tǒng)的“乒乓操作”結(jié)構(gòu)，由于使用移位寄存器，不需要兩塊RAM，可以省掉一半的寄存器。圖2為256點(diǎn)FFT處理器的第一級(jí)結(jié)構(gòu)。
評(píng)論