基于XQ2V1000 FPGA的數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)實(shí)

2.2.1 FFT處理單元的硬件復(fù)用

　　在系統(tǒng)中FFT處理單元通過(guò)使用軟核Fast Fourier Transform v3.O來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該IP核提供3種結(jié)構(gòu)選擇。

　　(1)管線級(jí)，數(shù)據(jù)流水I/0。這種結(jié)構(gòu)將若干基-2蝶形單元級(jí)聯(lián)起來(lái)，使得數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算、輸出可以流水進(jìn)行，從而可以達(dá)到很高的處理速度，但資源消耗較大;

　　(2)基-2，最少資源消耗。這種結(jié)構(gòu)采用單個(gè)基-2蝶形單元對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，運(yùn)算消耗的時(shí)間較長(zhǎng);

　　(3)基-4，突發(fā)I/O;這種結(jié)構(gòu)采用單個(gè)基-4蝶形單元對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，并利用塊RAM來(lái)存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)因子，占用系統(tǒng)資源較少，在1個(gè)PRT內(nèi)可以完成脈壓結(jié)果的輸出，從而在資源和速度這兩者之間達(dá)到很好的平衡，也是設(shè)計(jì)中實(shí)際采用的結(jié)構(gòu)。

　　FFT處理單元主要包括2個(gè)過(guò)程：數(shù)據(jù)I/O和運(yùn)算過(guò)程，但兩者不是流水執(zhí)行的。FFT啟動(dòng)信號(hào)有效后，數(shù)據(jù)開(kāi)始進(jìn)行裝載，裝載完成后開(kāi)始進(jìn)行FFT運(yùn)算;等待運(yùn)算結(jié)束后，結(jié)果才可以輸出。在運(yùn)算過(guò)程中，不發(fā)生數(shù)據(jù)的裝載或輸出。

　　在數(shù)字設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FT和IFFT處理單元時(shí)可以采用相同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的方法是：在做IFFT運(yùn)算前，先交換輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部，然后送入FFT處理單元按照FFT的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算，并交換FFT運(yùn)算結(jié)果的實(shí)部和虛部，最后除以運(yùn)算點(diǎn)數(shù)N，就可以得到IFFT的運(yùn)算結(jié)果。

　　該IP核基于上面的方法同時(shí)具有進(jìn)行IFFT運(yùn)算的功能，通過(guò)實(shí)時(shí)配置端口FWD INV上的電平可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用，分別完成FFT和IFFT運(yùn)算。在FPGA設(shè)計(jì)中，利用結(jié)構(gòu)復(fù)用減少邏輯單元塊，不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源，而且能夠減少結(jié)構(gòu)間的硬連線及傳輸線時(shí)延，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率。

　　2.2.2 脈沖壓縮模塊的時(shí)序設(shè)計(jì)

　　由于FFT和IFFT的邏輯運(yùn)算功能已經(jīng)在IP核中實(shí)現(xiàn)，因此時(shí)序設(shè)計(jì)便顯得尤為重要。在FFT(或IFFT)運(yùn)算單元中，主要的狀態(tài)與時(shí)序控制信號(hào)及其功能描述如表1所示。

　　在采樣距離門有效期間，將樣本數(shù)據(jù)寫入FIFO中進(jìn)行緩存。采樣結(jié)束后，通過(guò)FFT單元的寫使能信號(hào)(NFFT_WE和FWD_INV_WE)將NFFT=010 10及FWD_INV_WE=1寫入狀態(tài)控制寄存器設(shè)定工作模式，接著啟動(dòng)START信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，寫使能信號(hào)與sTART之間僅差1個(gè)時(shí)鐘周期。運(yùn)算結(jié)束后，DONE信號(hào)有效1個(gè)時(shí)鐘周期，輸出使能信號(hào)UNLOAD與DONE同步，經(jīng)過(guò)7個(gè)時(shí)鐘周期后數(shù)據(jù)有效信號(hào)DV開(kāi)始有效，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果開(kāi)始流水輸出，同時(shí)與匹配濾波器的系數(shù)相乘，并存入RAM中。由于乘法運(yùn)算的固有延遲，寫使能RAM_EN延遲DV信號(hào)2個(gè)時(shí)鐘周期。存儲(chǔ)結(jié)束時(shí)，IFFT單元的寫使能信號(hào)同時(shí)有效，并設(shè)定NFFT=01010及FWD_INV_WE=0，接著啟動(dòng)START信號(hào)進(jìn)行IFFT運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)束后，DONE信號(hào)(與UNLOAD同步)再次有效，IFFT運(yùn)算輸出結(jié)果在DV信號(hào)有效期間直接寫入RAM中。單個(gè)PRT內(nèi)各控制信號(hào)的具體時(shí)序說(shuō)明如圖4所示。

　　2.2.3 塊浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

　　在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)表示格式可分為定點(diǎn)制、浮點(diǎn)制和塊浮點(diǎn)制，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)資源的要求不同，工作速度也不同，有著不同的適用范圍。定點(diǎn)表示法使用最多，簡(jiǎn)單且速度快，但動(dòng)態(tài)范圍有限，需要用合適的溢出控制規(guī)則(如定比例法)適當(dāng)壓縮輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，但這樣會(huì)降低輸出信號(hào)的信噪比。浮點(diǎn)表示法的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大，可避免溢出，能在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)達(dá)到很高的信噪比，主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，硬件需求量大，成本和功耗高，而且速度較慢。

　　塊浮點(diǎn)表示法兼有定點(diǎn)法和浮點(diǎn)法的某些優(yōu)點(diǎn)，是以上2種表示法的結(jié)合。這種表示法首先對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，歸一化最大數(shù)的小數(shù)部分，再建立適當(dāng)?shù)闹笖?shù)。接著把剩下數(shù)據(jù)的小數(shù)部分轉(zhuǎn)化為合適的數(shù)，使它們可以使用最大數(shù)的指數(shù)。塊浮點(diǎn)算法的主要優(yōu)點(diǎn)是：大動(dòng)態(tài)范圍、低截?cái)?或舍入)噪聲，是一種有效的數(shù)據(jù)表示形式。從芯片實(shí)現(xiàn)角度上看，塊浮點(diǎn)表示法能夠保證較高的信號(hào)處理質(zhì)量，尤其適用于FFT運(yùn)算的場(chǎng)合。脈壓模塊中的FFT核帶有塊浮點(diǎn)運(yùn)算的功能，整個(gè)運(yùn)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)格式表示如圖5所示。

　　ADC輸入數(shù)據(jù)為14 b的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，對(duì)其低位補(bǔ)零擴(kuò)展為16 b(IP核要求的輸入精度)后送入FFT運(yùn)算單元，輸出結(jié)果為16 b的定點(diǎn)數(shù)以及指數(shù)EXP1。復(fù)乘包括乘法和累加運(yùn)算，即FFT結(jié)果與匹配系數(shù)進(jìn)行16 b×16 b的乘法運(yùn)算，所得結(jié)果再進(jìn)行加法運(yùn)算;在進(jìn)行加法運(yùn)算前，所有數(shù)據(jù)擴(kuò)展為33 b以防止溢出的發(fā)生，最終數(shù)據(jù)截取高16 b送入IFFT處理單元，輸出為16 b的定點(diǎn)數(shù)和指數(shù)EXP2，將其與EXPl相加后

　　得到指數(shù)EXP。脈壓的最終結(jié)果即為IFFT后的16 b定點(diǎn)數(shù)以及指數(shù)EXP，兩者分別存儲(chǔ)在FPGA片內(nèi)RAM中。

　　2.3 脈沖壓縮模塊的測(cè)試

　　設(shè)輸入理想LFM信號(hào)參數(shù)如下：帶寬B=40 MHz;時(shí)寬T=6μs;系統(tǒng)樣本速率為60 MHz;使用海明窗加權(quán)。在上述條件下，脈沖壓縮系統(tǒng)的輸出結(jié)果對(duì)數(shù)圖如圖6所示。

　　在圖6中，橫軸代表距離采樣單元，即系統(tǒng)最小距離分辨率。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際處理結(jié)果與Madab仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　系統(tǒng)采用ADS5500完成14位、60 MSPS的數(shù)據(jù)采集，并在FPGA中實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)的數(shù)字脈沖壓縮。設(shè)計(jì)采用并行流水方式提高工作速度，而塊浮點(diǎn)算法則充分保證運(yùn)算的精度。IP核的復(fù)用大大降低硬件規(guī)模，從而使整個(gè)系統(tǒng)具有高速度、高精度和低功耗的特點(diǎn)。