基于XQ2V1000 FPGA的數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)實

2.2.1 FFT處理單元的硬件復(fù)用

　　在系統(tǒng)中FFT處理單元通過使用軟核Fast Fourier Transform v3.O來實現(xiàn)的。該IP核提供3種結(jié)構(gòu)選擇。

　　(1)管線級，數(shù)據(jù)流水I/0。這種結(jié)構(gòu)將若干基-2蝶形單元級聯(lián)起來，使得數(shù)據(jù)的輸入、計算、輸出可以流水進行，從而可以達到很高的處理速度，但資源消耗較大;

　　(2)基-2，最少資源消耗。這種結(jié)構(gòu)采用單個基-2蝶形單元對輸入數(shù)據(jù)進行變換，運算消耗的時間較長;

　　(3)基-4，突發(fā)I/O;這種結(jié)構(gòu)采用單個基-4蝶形單元對輸入數(shù)據(jù)進行變換，并利用塊RAM來存儲旋轉(zhuǎn)因子，占用系統(tǒng)資源較少，在1個PRT內(nèi)可以完成脈壓結(jié)果的輸出，從而在資源和速度這兩者之間達到很好的平衡，也是設(shè)計中實際采用的結(jié)構(gòu)。

　　FFT處理單元主要包括2個過程：數(shù)據(jù)I/O和運算過程，但兩者不是流水執(zhí)行的。FFT啟動信號有效后，數(shù)據(jù)開始進行裝載，裝載完成后開始進行FFT運算;等待運算結(jié)束后，結(jié)果才可以輸出。在運算過程中，不發(fā)生數(shù)據(jù)的裝載或輸出。

　　在數(shù)字設(shè)計中，F(xiàn)FT和IFFT處理單元時可以采用相同的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。具體的方法是：在做IFFT運算前，先交換輸入數(shù)據(jù)的實部和虛部，然后送入FFT處理單元按照FFT的結(jié)構(gòu)進行運算，并交換FFT運算結(jié)果的實部和虛部，最后除以運算點數(shù)N，就可以得到IFFT的運算結(jié)果。

　　該IP核基于上面的方法同時具有進行IFFT運算的功能，通過實時配置端口FWD INV上的電平可以實現(xiàn)復(fù)用，分別完成FFT和IFFT運算。在FPGA設(shè)計中，利用結(jié)構(gòu)復(fù)用減少邏輯單元塊，不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源，而且能夠減少結(jié)構(gòu)間的硬連線及傳輸線時延，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率。

　　2.2.2 脈沖壓縮模塊的時序設(shè)計

　　由于FFT和IFFT的邏輯運算功能已經(jīng)在IP核中實現(xiàn)，因此時序設(shè)計便顯得尤為重要。在FFT(或IFFT)運算單元中，主要的狀態(tài)與時序控制信號及其功能描述如表1所示。

　　在采樣距離門有效期間，將樣本數(shù)據(jù)寫入FIFO中進行緩存。采樣結(jié)束后，通過FFT單元的寫使能信號(NFFT_WE和FWD_INV_WE)將NFFT=010 10及FWD_INV_WE=1寫入狀態(tài)控制寄存器設(shè)定工作模式，接著啟動START信號進行FFT運算，寫使能信號與sTART之間僅差1個時鐘周期。運算結(jié)束后，DONE信號有效1個時鐘周期，輸出使能信號UNLOAD與DONE同步，經(jīng)過7個時鐘周期后數(shù)據(jù)有效信號DV開始有效，F(xiàn)FT運算結(jié)果開始流水輸出，同時與匹配濾波器的系數(shù)相乘，并存入RAM中。由于乘法運算的固有延遲，寫使能RAM_EN延遲DV信號2個時鐘周期。存儲結(jié)束時，IFFT單元的寫使能信號同時有效，并設(shè)定NFFT=01010及FWD_INV_WE=0，接著啟動START信號進行IFFT運算。運算結(jié)束后，DONE信號(與UNLOAD同步)再次有效，IFFT運算輸出結(jié)果在DV信號有效期間直接寫入RAM中。單個PRT內(nèi)各控制信號的具體時序說明如圖4所示。

　　2.2.3 塊浮點數(shù)據(jù)格式

　　在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)表示格式可分為定點制、浮點制和塊浮點制，它們在實現(xiàn)時對系統(tǒng)資源的要求不同，工作速度也不同，有著不同的適用范圍。定點表示法使用最多，簡單且速度快，但動態(tài)范圍有限，需要用合適的溢出控制規(guī)則(如定比例法)適當(dāng)壓縮輸入信號的動態(tài)范圍，但這樣會降低輸出信號的信噪比。浮點表示法的優(yōu)點是動態(tài)范圍大，可避免溢出，能在很大的動態(tài)范圍內(nèi)達到很高的信噪比，主要缺點是系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜，硬件需求量大，成本和功耗高，而且速度較慢。

　　塊浮點表示法兼有定點法和浮點法的某些優(yōu)點，是以上2種表示法的結(jié)合。這種表示法首先對一組數(shù)據(jù)進行檢測，歸一化最大數(shù)的小數(shù)部分，再建立適當(dāng)?shù)闹笖?shù)。接著把剩下數(shù)據(jù)的小數(shù)部分轉(zhuǎn)化為合適的數(shù)，使它們可以使用最大數(shù)的指數(shù)。塊浮點算法的主要優(yōu)點是：大動態(tài)范圍、低截斷(或舍入)噪聲，是一種有效的數(shù)據(jù)表示形式。從芯片實現(xiàn)角度上看，塊浮點表示法能夠保證較高的信號處理質(zhì)量，尤其適用于FFT運算的場合。脈壓模塊中的FFT核帶有塊浮點運算的功能，整個運算過程中的數(shù)據(jù)格式表示如圖5所示。

　　ADC輸入數(shù)據(jù)為14 b的二進制補碼形式，對其低位補零擴展為16 b(IP核要求的輸入精度)后送入FFT運算單元，輸出結(jié)果為16 b的定點數(shù)以及指數(shù)EXP1。復(fù)乘包括乘法和累加運算，即FFT結(jié)果與匹配系數(shù)進行16 b×16 b的乘法運算，所得結(jié)果再進行加法運算;在進行加法運算前，所有數(shù)據(jù)擴展為33 b以防止溢出的發(fā)生，最終數(shù)據(jù)截取高16 b送入IFFT處理單元，輸出為16 b的定點數(shù)和指數(shù)EXP2，將其與EXPl相加后

　　得到指數(shù)EXP。脈壓的最終結(jié)果即為IFFT后的16 b定點數(shù)以及指數(shù)EXP，兩者分別存儲在FPGA片內(nèi)RAM中。

　　2.3 脈沖壓縮模塊的測試

　　設(shè)輸入理想LFM信號參數(shù)如下：帶寬B=40 MHz;時寬T=6μs;系統(tǒng)樣本速率為60 MHz;使用海明窗加權(quán)。在上述條件下，脈沖壓縮系統(tǒng)的輸出結(jié)果對數(shù)圖如圖6所示。

　　在圖6中，橫軸代表距離采樣單元，即系統(tǒng)最小距離分辨率。通過系統(tǒng)實際處理結(jié)果與Madab仿真結(jié)果的對比驗證了設(shè)計的正確性和實用性。

　　3 結(jié)語

　　系統(tǒng)采用ADS5500完成14位、60 MSPS的數(shù)據(jù)采集，并在FPGA中實現(xiàn)1 024點的數(shù)字脈沖壓縮。設(shè)計采用并行流水方式提高工作速度，而塊浮點算法則充分保證運算的精度。IP核的復(fù)用大大降低硬件規(guī)模，從而使整個系統(tǒng)具有高速度、高精度和低功耗的特點。