可配置FFT IP核的實現及基礎教程

可配置FFTIP核的實現及基礎教程針對FFT算法基于FPGA實現可配置的IP核。采用基于流水線結構和快速并行算法實現了蝶形運算和4k點FFT的輸入點數、數據位寬、分解基自由配置。使用Verilog語言編寫，利用ModelSim仿真，由ISE綜合并下載，在Xilinx公司的Virtex-5xc5vfx70t器件上以200MHz的時鐘實現驗證，運算結果與其他設計的運算效率對比有一定優(yōu)勢。在現代聲納、雷達、通信、圖像處理等領域中，數字信號處理系統經常要進行高速、高精度的FFF運算?，F場可編程邏輯陣列(FPGA)是一種可定制集成電路，具有面向數字信號處理算法的物理結構。用FPGA實現FFT處理器具有硬件系統簡單、功耗低的優(yōu)點，同時具有開發(fā)時間較短、成本較低的優(yōu)勢?；贔PGA實現的數字信號處理系統具有較高的實時性和嵌入性，并能方便地實現系統集成與功能擴展?；贔PGA的硬件實現FFT通常有兩種方法：(1)并行方法，其采用多個蝶形處理器并行運算，能對較高的數據采樣率進行運算，但其硬件規(guī)模較大，當在FPGA上要實現較大點數的FFT時較為困難。(2)串行方法，采用一個蝶形處理器完成運算，使用的邏輯資源較少，但運算速度較慢。本文在串行方法的基礎上實現了一種在FPGA上實現的可配置FFTIP核，具有輸入點數可配置(實現0～4096點自由配置)、數據位寬可配置、分解基可配置的特性。1原理分析自從基2快速算法出現以來，人們仍在不斷尋求更快的算法。基4FFT算法比最初的基2FFT算法更快，但從理論上講，用較大的基數還可進一步減少運算次數，但要以程序(或硬件)變得更復雜為代價。提高FFF處理速度的4個主要技術途徑是采用流水線結構、并行運算、增加蝶形處理單元數目和高基數結構。1.1基2算法基本原理

點數N是2的整數次冪，將x(n)先按n的奇偶分成兩組1.2基4算法基本原理

與基2算法類似，對于N點有限長序列x(n)的DFT按照時域分解展開有2可配置FFTIP核硬件結構現有的FFTIP核在硬件實現時不具備并行度可配置能力，只提供全循環(huán)、全流水、循環(huán)展開與流水結合等形式下的某種特定實現，可重用性較差，難以適應不同的計算吞吐量和對計算資源和計算時間的需求?？膳渲肍FTIP核技術實現FFT算法流水、循環(huán)等并行化參數的可配置問題，兼顧FFT轉換點數、輸入輸出數據位寬、蝶形運算基數、輸入輸出FIFO深度的可配置，滿足不同應用條件下IP復用的需求，適應各種環(huán)境和數據吞吐量的FFT運算。可配置FFTIP核功能組成如圖1所示。如圖1所示，該IP主要包括RAM、ROM、地址產生模塊、移位模塊、選擇數據排序模塊、可配置蝶形運算單元、精度調整模塊和輸出數據排序模塊，Din_R和Din_I是FFT輸入數據的實部和虛部，Dout_R和Dout_I是FFT變換結果的實部和虛部。RAM1和RAM2存儲了FFT迭代過程中的輸入數據，RAM3和RAM4存儲了FFT迭代過程中的計算結果，RAM1和RAM2、RAM3和RAM4均為乒乓結構。地址產生模塊主要產生向RAM寫入數據和從RAM讀出數據的地址。ROM中存儲了FFT需要的旋轉因子。2.1IP核整體方案

設計可配置FFT處理，其整體結構如圖2所示，設計采用基2蝶形和基4蝶形運算兩種配置方式，供用戶選擇。輸入數據實部和虛部分開存儲，需4個RAM，為實現對連續(xù)流輸入可連續(xù)流輸出，其模塊構成如圖2所示。如圖2所示，外部輸入數據的實數部分Din_R、虛數部分Din_I，以及輸入數據的地址信號ADR，首先進入RAM_ADDR單元，選擇合適的時鐘周期將不同點數的原始數據送入RAM單元，當輸入數據的實數和虛數以及其地址準備好的時候，RDY輸出1。BIT_SFT單元完成輸入數據地址的移位變換，實現奇偶分離。當數據地址準備好時，RDY輸出1，當RAM_ADDR或BIT_SFT這兩個單元中的一個單元準備好時，便可觸發(fā)RAM單元，將外部數據寫入到RAM的指定地址。RAM中的數據符合可配置點數要求后，進入NUM_IN單元，其中輸出的數據DOR/DOI就是符合基2蝶形或基4蝶形運算的數據順序。這些原始數據進入蝶形運算單元BUTTERFLY，蝶形單元通過U_SELECT單元選擇蝶形運算的分解基，實現基2蝶形運算、基4蝶形運算的可配置功能。其中R4_FFT是基4蝶形運算單元，B2_FFT是基2蝶形運算單元，蝶形運算過程中所需的旋轉因子存儲在ROM_RAT單元中，根據選擇不同分解基的蝶形運算，BUTIERFLY單元產生相應的地址，選擇其計算過程中的旋轉因子。當蝶形運算完成后，結果數據進入U_CNORM單元，進行順序調整和精度處理;其中PR信號是用戶指定的精度信號，PR[1：0]可提供3種精度，OVF信號是數據溢出信號，若置1表明FFT結果數據超出了表示范圍，則要按照截位處理以保證數據準確。當數據輸入完成后，結