利用FPGA實現(xiàn)的FFT變換設(shè)計

　　隨著集成電路的飛速發(fā)展，在圖像處理，通信和多媒體等很多領(lǐng)域中，數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用?？焖俑盗⑷~變換(FFT)算法的提出，使得數(shù)字信號處理的運(yùn)算時間上面縮短了好幾個數(shù)量級。因此對FFT算法及其實現(xiàn)方法的研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實意義。

　　1 FFT算法及其實現(xiàn)方法

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是一種可編程使用的信號處理器件，其運(yùn)算速度高，內(nèi)置高速乘法器可實現(xiàn)復(fù)雜累加乘法運(yùn)算;同時其存儲量大，無需外接存儲器就可實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)運(yùn)算;而且算法實現(xiàn)簡單，通過VHDL編程語言可輕松實現(xiàn)功能開發(fā)，縮短了開發(fā)周期。FPGA已經(jīng)在通訊、視頻、圖像處理等領(lǐng)域被廣泛使用。

　　本次設(shè)計采用FPGA實現(xiàn)8點32位的FFT變換，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是一種可編程使用的信號處理器件，用戶可以通過改變配置信息對其功能進(jìn)行定義，以滿足設(shè)計需求。與DSP相比，F(xiàn)PGA實現(xiàn)FFT具有速度高，存儲容量大，硬件實現(xiàn)簡單，I/O帶寬高等特點。

　　FFT處理器被分成一下幾個主要的功能模塊：數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生單元、蝶形運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)選擇單元、控制單元、存儲單元等。通過VHDL語言在CycloneII系列芯片上編程實現(xiàn)。運(yùn)算方案采用順序處理的方法。傅立葉變換實現(xiàn)時首先進(jìn)行基2、基4分解，一般來說，如果算法使用基2實現(xiàn)，雖然使用的資源較多，但速度優(yōu)勢明顯。設(shè)計中采用基-2DIT-FFT算法來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計，如圖1所示。

　　圖1

　　在FFT模塊的設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)因子與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行的是一個小數(shù)乘法的蝶形運(yùn)算，需要將旋轉(zhuǎn)因子表示成小數(shù)的二進(jìn)制形式。為了保證運(yùn)算結(jié)果的正確性，還需要將輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行小數(shù)點的調(diào)整。在此次設(shè)計中采用定點小數(shù)的方法，所謂定點小數(shù)，就是小數(shù)點的位置是固定的。設(shè)計中統(tǒng)一將小數(shù)點放在了Q6的位置，在仿真的結(jié)果圖中顯示的輸出數(shù)據(jù)均是小數(shù)點經(jīng)過移位后的結(jié)果即結(jié)果均擴(kuò)大了64倍。

　　復(fù)數(shù)乘法器采用FPGA內(nèi)部IP核的例化與調(diào)用來設(shè)計實現(xiàn)了蝶形處理，這樣就可以提高蝶形運(yùn)算單元的的運(yùn)算速度，降低了運(yùn)算復(fù)雜度?？刂茊卧脑O(shè)計通過一個有限狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)控制器。通過有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的輸出分別控制ROM因子表、隨機(jī)存儲器RAM和蝶形處理器。使它們可以協(xié)調(diào)一致地工作，從而實現(xiàn)FFT運(yùn)算的正確輸出。

　　將系統(tǒng)設(shè)計的各個模塊連接起來，利用順序處理的FFT設(shè)計結(jié)構(gòu)，將輸入數(shù)據(jù)的8個點放到RAM中進(jìn)行處理。經(jīng)過元件例化和調(diào)用操作完一級蝶形之后對其結(jié)果進(jìn)行存儲;之后完成二級蝶形操作及存儲;最后進(jìn)行三級蝶形的操作。

　　若輸入8點數(shù)據(jù)為[5，8，3，2.0，6，1，2].其仿真結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)換后的值為(即結(jié)果擴(kuò)大了64倍)：[1728，410-j218，64-j640，230+j38，-576，230-j38，64+j640，410+j218 ]，與MATLAB仿真的結(jié)果一致。

　　如圖2所示，圖中的x0，x1，x2……x7是輸入信號，分別給它們輸入的值為[5，8，3，2，0，6，1，2];y0_i，y0_r……y7_i，y7_r是仿真中得到的輸出信號。經(jīng)過運(yùn)算，輸出結(jié)果與理論計算結(jié)果一致。

　　圖2

　　2總結(jié)

　　通過仿真驗證此次利用FPGA實現(xiàn)的FFT設(shè)計采用內(nèi)置雙端口RAM、ROM單元，實現(xiàn)了存取數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)因子計算、蝶形計算，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算可靠性高，速度得到了進(jìn)一步提升。