基于FPGA的自然對數變換器的設計與實(shí)現

摘要：本文利用CORD IC算法在FPGA上實(shí)現了自然對數運算器。實(shí)驗結果表明該對數運算器的輸出誤差為10-4數量級，最高頻率可達到80MHz。該運算器適用于高速大數據量的數據處理。

關(guān)鍵詞：對數運算；CORD IC算法；FPGA；對數變換器

　　*國家自然科學(xué)基金項目(No.60174032，60674111)
　　2008年4月28日收到本文。李剛：教授，從事信號檢測與處理、智能儀器儀表的研究。

引言

　　在需要硬件實(shí)現對數運算的場(chǎng)合[1]，其精度和速度是必須考慮的問(wèn)題。目前硬件實(shí)現對數變換的方法主要有查表法、泰勒公式展開(kāi)法和線(xiàn)性近似法。查表法[2]所需要的存儲單元隨著(zhù)精度的增加或輸入值范圍的增大而成指數增加；泰勒公式展開(kāi)法[3]需要乘法器，面積大不易實(shí)現；線(xiàn)性近似法[4]的精度有限，且需要誤差校正電路，實(shí)現較難。

　　本文利用CORD IC算法在FPGA上實(shí)現了高速自然對數變換器。CORD IC算法即坐標旋轉數字計算方法最初由J.D.Volder[5]于1959年提出，其基本思想是用一系列與運算基數相關(guān)的角度的不斷偏擺從而逼近所需旋轉的角度。1971年J.S.Walter[6]提出統一的CORD IC算法，把圓周旋轉、直線(xiàn)旋轉和雙曲旋轉統一到同一個(gè)CORD IC迭代方程里，為同一硬件實(shí)現多功能運算提供了前提。由于它將許多復雜的算術(shù)運算化成簡(jiǎn)單的加法和移位操作，在不影響運算速度和精度的情況下，極大的降低了硬件設計的復雜性，節約了硬件資源。利用CORD IC算法可以直接實(shí)現乘法、除法、正余弦函數，反正切函數、雙曲函數等，對輸入進(jìn)行適當的初始化可以實(shí)現正切、雙曲正切、對數和指數等函數。

　　在數字信號處理領(lǐng)域用的較多的是DSP和FPGA。DSP的優(yōu)勢源于多數信號處理算法的乘-累加運算(MAC)都是非常密集的。FPGA通過(guò)多極流水線(xiàn)架構也能夠用來(lái)實(shí)現MAC單元，并且FPGA技術(shù)可以通過(guò)一個(gè)芯片上的多級MAC單元來(lái)提供更多的帶寬，速度可以比數字信號處理芯片快，并且功耗較低。CORD IC算法完全由移位和加法操作完成，因此利用FPGA可以實(shí)現更高的運算速度。本文采用流水線(xiàn)結構在FPGA上實(shí)現基于CORD IC的對數變換，可以達到80MHz的處理速度。

CORD IC算法實(shí)現自然對數運算

　　CORD IC算法最初是用于計算三角函數的，后來(lái)由于其算法的簡(jiǎn)單、硬件易于實(shí)現等多種優(yōu)勢，而被廣泛的用于多種初等函數的運算中(包括三角函數、乘除法運算、指數運算、對數運算等)。本文主要利用CORD IC算法的雙曲旋轉法實(shí)現自然對數運算。

　　在雙曲坐標系下，CORD IC算法的迭代方程為：

　　由于 ，所以迭代序列必須從n=1開(kāi)始，為保證迭代序列收斂，因此迭代序列n的取值從第4項開(kāi)始每隔3n+1項必須重復一次，即n=1，2，3，4，4，5，…，40，40，…。

　　在向量模式下，經(jīng)n次迭代后的輸出方程為：

　　因為

　　所以令x=t+1，y=t-1

　　則

　　所以對于t，如果我們要求lnt，只要做如下初始化：

　　X=t+1，y=t-1，z=0

　　則輸出z=0.5ln(t)，只需要在CORD IC之后做一次左移即可。

　　如(2)式所示，為保證迭代序列的收斂，|tanh^-1(y₀/x₀)|≤1.1182，因此|y/x|_max≈0.8069，n→∞，反雙曲正切的定義域為(-1，1)，可見(jiàn)函數的輸入范圍受到了限制。解決的方法是增加n為負數的迭代，改進(jìn)的算法公式為：

　　當n≤0時(shí)

　　當n>0時(shí)

　　收斂的范圍變成

　　|tanh^-1(y/x)|≤θ_max

　　其中   

　　當M=5時(shí)，θ_max=12.4264，函數tanh^-1的范圍是[-12.4264，12.4264]。也就是說(shuō)此時(shí)y/x可以接近于[-1，1]，幾乎覆蓋tanh^-1的整個(gè)定義域。因此硬件實(shí)現過(guò)程中可以從-5開(kāi)始迭代。

對數運算的FPGA實(shí)現

　　CORD IC算法完全由移位和相加完成，很容易在硬件上實(shí)現。由于FPGA具有并行處理能力，利用FPGA實(shí)現對數變換，速度可以比數字信號處理芯片快，以滿(mǎn)足某些高速處理的要求。本文采用的FPGA芯片是Altera公司的cyclone系列芯片EP1C6Q240C8。該芯片內部共有邏輯單元5980個(gè)，支持近12萬(wàn)門(mén)的設計，內部嵌有約12Kbyte的RAM，包含2個(gè)生成時(shí)鐘的鎖相環(huán)，最大用戶(hù)I/O數185個(gè)，滿(mǎn)足設計要求。