基于FPGA的移位寄存器流水線(xiàn)結構FFT處理器設計與實(shí)
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快速傅里葉變換(FFT)在雷達、通信和電子對抗等領(lǐng)域有廣泛應用。近年來(lái)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的飛速發(fā)展，與DSP技術(shù)相比，由于其并行信號處理結構，使得FPGA能夠很好地適用于高速信號處理系統。由于A(yíng)ltera等公司研制的FFT IP核，價(jià)錢(qián)昂貴，不適合大規模應用，在特定領(lǐng)域中，設計適合于自己領(lǐng)域需要的FFT處理器是較為實(shí)際的選擇。
本文設計的FFT處理器，基于FPGA技術(shù)，由于采用移位寄存器流水線(xiàn)結構，實(shí)現了兩路數據的同時(shí)輸入，相比傳統的級聯(lián)結構，提高了蝶形運算單元的運算效率，減小了輸出延時(shí)，降低了芯片資源的使用。在OFDM系統的實(shí)際應用中，因它可以采用快速傅里葉變換，能方便快捷地實(shí)現調制和解調，故結合MIMO技術(shù)，設計的FFT處理器結構，可以很好地應用于2根天線(xiàn)的MIMO-OFDM系統中。
1 FFT處理的應用及DIF FFT算法原理
圖1給出一個(gè)2根天線(xiàn)MIMO-OFDM系統中FFT的使用?？焖俑道锶~變換算法基本上分為兩大類(lèi)：時(shí)域抽取(DIT)和頻域抽取(DIF)，這里設計的FFT處理器采用基-2 DIF算法。
對于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k的奇、偶分開(kāi)。通過(guò)這種方式繼續分下去，直到得到兩點(diǎn)的DFT。采用DIF方法設計的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(xiàn)結構的FFT
在傳統流水線(xiàn)結構的FFT中，需要將全部數據輸入寄存器后，可開(kāi)始蝶形運算。在基-2 DIF算法中可以發(fā)現，當前N／2個(gè)數據進(jìn)入寄存器后，運算便可以開(kāi)始，此后進(jìn)入的第N／2+1個(gè)數據與寄存器第一個(gè)數據進(jìn)行蝶形運算，以此類(lèi)推。
由于采用頻域抽取法，不需要對輸入的數據進(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)數據移入移位寄存器，在N／2+l時(shí)刻，第一個(gè)數據移出移位寄存器，參與運算。相對于傳統的RAM讀寫(xiě)方式，采用移位寄存器存儲結構綜合后的最大工作頻率為500 MHz，遠大于RAM方式的166 MHz。
當移位寄存器相繼有數據移出時(shí)，在移位寄存器中會(huì )出現空白位。此時(shí)，引入第二路數據，在第一路數據依次移出進(jìn)行蝶算時(shí)，第二路數據依次補充到移位寄存器的空白位中，為運算做準備。通過(guò)這樣一種類(lèi)似“乒乓操作”的結構，可以使蝶形運算模塊中的數據不間斷地輸入，運算效率達到100％。不同于傳統的“乒乓操作”結構，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處理器的第一級結構。
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