基于FPGA的自然對數(shù)變換器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本文利用CORD IC算法在FPGA上實現(xiàn)了自然對數(shù)運算器。實驗結(jié)果表明該對數(shù)運算器的輸出誤差為10-4數(shù)量級，最高頻率可達到80MHz。該運算器適用于高速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞：對數(shù)運算；CORD IC算法；FPGA；對數(shù)變換器

　　*國家自然科學基金項目(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

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

　　本文利用CORD IC算法在FPGA上實現(xiàn)了高速自然對數(shù)變換器。CORD IC算法即坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)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(shù)相關(guān)的角度的不斷偏擺從而逼近所需旋轉(zhuǎn)的角度。1971年J.S.Walter[6]提出統(tǒng)一的CORD IC算法，把圓周旋轉(zhuǎn)、直線旋轉(zhuǎn)和雙曲旋轉(zhuǎn)統(tǒng)一到同一個CORD IC迭代方程里，為同一硬件實現(xiàn)多功能運算提供了前提。由于它將許多復(fù)雜的算術(shù)運算化成簡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(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)約了硬件資源。利用CORD IC算法可以直接實現(xiàn)乘法、除法、正余弦函數(shù)，反正切函數(shù)、雙曲函數(shù)等，對輸入進行適當?shù)某跏蓟梢詫崿F(xiàn)正切、雙曲正切、對數(shù)和指數(shù)等函數(shù)。

　　在數(shù)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(shù)信號處理算法的乘-累加運算(MAC)都是非常密集的。FPGA通過多極流水線架構(gòu)也能夠用來實現(xiàn)MAC單元，并且FPGA技術(shù)可以通過一個芯片上的多級MAC單元來提供更多的帶寬，速度可以比數(shù)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可以實現(xiàn)更高的運算速度。本文采用流水線結(jié)構(gòu)在FPGA上實現(xiàn)基于CORD IC的對數(shù)變換，可以達到80MHz的處理速度。

CORD IC算法實現(xiàn)自然對數(shù)運算

　　CORD IC算法最初是用于計算三角函數(shù)的，后來由于其算法的簡單、硬件易于實現(xiàn)等多種優(yōu)勢，而被廣泛的用于多種初等函數(shù)的運算中(包括三角函數(shù)、乘除法運算、指數(shù)運算、對數(shù)運算等)。本文主要利用CORD IC算法的雙曲旋轉(zhuǎn)法實現(xiàn)自然對數(shù)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項開始每隔3n+1項必須重復(fù)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)，可見函數(shù)的輸入范圍受到了限制。解決的方法是增加n為負數(shù)的迭代，改進的算法公式為：

　　當n≤0時

　　當n>0時

　　收斂的范圍變成

　　|tanh^-1(y/x)|≤θ_max

　　其中   

　　當M=5時，θ_max=12.4264，函數(shù)tanh^-1的范圍是[-12.4264，12.4264]。也就是說此時y/x可以接近于[-1，1]，幾乎覆蓋tanh^-1的整個定義域。因此硬件實現(xiàn)過程中可以從-5開始迭代。

對數(shù)運算的FPGA實現(xiàn)

　　CORD IC算法完全由移位和相加完成，很容易在硬件上實現(xiàn)。由于FPGA具有并行處理能力，利用FPGA實現(xiàn)對數(shù)變換，速度可以比數(shù)字信號處理芯片快，以滿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(nèi)部共有邏輯單元5980個，支持近12萬門的設(shè)計，內(nèi)部嵌有約12Kbyte的RAM，包含2個生成時鐘的鎖相環(huán)，最大用戶I/O數(shù)185個，滿足設(shè)計要求。