基于FPGA的移位寄存器流水線結(jié)構(gòu)FFT處理器設計與實
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快速傅里葉變換(FFT)在雷達、通信和電子對抗等領域有廣泛應用。近年來現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的飛速發(fā)展，與DSP技術(shù)相比，由于其并行信號處理結(jié)構(gòu)，使得FPGA能夠很好地適用于高速信號處理系統(tǒng)。由于Altera等公司研制的FFT IP核，價錢昂貴，不適合大規(guī)模應用，在特定領域中，設計適合于自己領域需要的FFT處理器是較為實際的選擇。
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結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了兩路數(shù)據(jù)的同時輸入，相比傳統(tǒng)的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了蝶形運算單元的運算效率，減小了輸出延時，降低了芯片資源的使用。在OFDM系統(tǒng)的實際應用中，因它可以采用快速傅里葉變換，能方便快捷地實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，故結(jié)合MIMO技術(shù)，設計的FFT處理器結(jié)構(gòu)，可以很好地應用于2根天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)中。
1 FFT處理的應用及DIF FFT算法原理
圖1給出一個2根天線MIMO-OFDM系統(tǒng)中FFT的使用。快速傅里葉變換算法基本上分為兩大類：時域抽取(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N點的DFT分成兩個N／2點的DFT，分的方法是將x(k)按序號k的奇、偶分開。通過這種方式繼續(xù)分下去，直到得到兩點的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的倒序。
2 移位寄存器流水線結(jié)構(gòu)的FFT
在傳統(tǒng)流水線結(jié)構(gòu)的FFT中，需要將全部數(shù)據(jù)輸入寄存器后，可開始蝶形運算。在基-2 DIF算法中可以發(fā)現(xiàn)，當前N／2個數(shù)據(jù)進入寄存器后，運算便可以開始，此后進入的第N／2+1個數(shù)據(jù)與寄存器第一個數(shù)據(jù)進行蝶形運算，以此類推。
由于采用頻域抽取法，不需要對輸入的數(shù)據(jù)進行倒序處理，簡化了地址控制，這樣，可以采用移位寄存器的方式，依次將前N／2個數(shù)據(jù)移入移位寄存器，在N／2+l時刻，第一個數(shù)據(jù)移出移位寄存器，參與運算。相對于傳統(tǒng)的RAM讀寫方式，采用移位寄存器存儲結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)移出時，在移位寄存器中會出現(xiàn)空白位。此時，引入第二路數(shù)據(jù)，在第一路數(shù)據(jù)依次移出進行蝶算時，第二路數(shù)據(jù)依次補充到移位寄存器的空白位中，為運算做準備。通過這樣一種類似“乒乓操作”的結(jié)構(gòu)，可以使蝶形運算模塊中的數(shù)據(jù)不間斷地輸入，運算效率達到100％。不同于傳統(tǒng)的“乒乓操作”結(jié)構(gòu)，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FFT處理器的第一級結(jié)構(gòu)。
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