一種高速并行FFT處理器的VLSI結(jié)構(gòu)設計

萬紅星　陳 禾　韓月秋 (北京理工大學 電子工程系信號與信息處理專業(yè),北京 100081)
 
　　摘　要：在OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)中,高速FFT處理器是關(guān)鍵。在分析了基4按時域抽取快速傅立葉變換(FFT)算法特點的基礎上,研究了一種高性能FFT處理器的硬件結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)能同時從四個并行存儲器中讀取蝶形運算所需的4個操作數(shù),極大地提高了處理速度。此結(jié)構(gòu)控制單元簡單,便于模塊化設計。經(jīng)硬件驗證,達到設計要求。在系統(tǒng)時鐘為100MHz時,1024點18位復數(shù)FFT的計算時間為13µs。
　　關(guān)鍵詞：FFT 蝶形單元 塊浮點 流水線

　　正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)是近幾年興起的一種在無線信道上實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录夹g(shù)。它采用多載波調(diào)制技術(shù),其最大的特點是傳輸速率高,對碼間干擾和信道選擇性衰落 具有很強的抵抗能力。在OFDM系統(tǒng)中,各子載波的調(diào)制解調(diào)采用一個實時的快速傅立葉變換(FFT)處理器實現(xiàn),因此高速FFT處理器是OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)中的一個重要因素。目前通用的FFT模塊可以達到的速度數(shù)量級為1024點16位字長定點、塊浮點、浮點運算在幾十到數(shù)百微秒量級[1],其中采用TI公司的DSP62XX定點系列達到66μs量級處理速度,新近的64XX在600MHz時鐘頻率下完成1024點定點FFT的時間僅需10μs。C6701浮點DSP在167MHz時鐘頻率下完成32位1024點浮點FFT的運算時間需120μs[2]。而AD公司的ADSP-21160 SHARC在100MHz下完成需要90μs。但是如果僅用于FFT處理而廢棄其他功能性價比就很低。采用Xilinx公司的FFT IP核處理,也可以達到160MHz的工作頻率[3],但由于其采用固核,外圍引腳較多不利于使用,且不利于針對特殊要求進行修改。
　　本文在分析了基4按時域分解的FFT算法特點的基礎上[4],提出了一種便于VLSI實現(xiàn)的FFT處理器結(jié)構(gòu)。處理器運算單元的流水并行及操作數(shù)的并行讀寫保證了每個周期能夠完成一次蝶形運算。而文獻[5～6]提出的地址映射算法不適用于本設計單蝶形運算結(jié)構(gòu);文獻[7]中,尋址方案基于線形變換,但是需要復雜的位矩陣點積算法;文獻[8]方案做了改進,但仍然較復雜。本文提出一種完全同址的數(shù)據(jù)全并行FFT處理器設計方法。此方案僅需要一個計數(shù)器,通過簡單的線形變換,即可實現(xiàn)對不同長度N=4p的FFT處理。
　　1 原理分析
　　設序列x(n)的長度為N=4p,其中p為正整數(shù),則x(n)的DFT為:

　　由上述運算步驟可推得基4按時間抽取在第s級的蝶形運算單元的方程為:

　　其中s為基4 DIT算法流圖中蝶形運算單元的級數(shù);n=b2