高性能可配置FFT处理器研究与实现

发布时间：2017-07-30 21:13

  本文关键词：高性能可配置FFT处理器研究与实现

  更多相关文章： FFT 可配置 高性能 高精度 蝶形单元 旋转因子

【摘要】：随着电子技术和集成电路技术的飞速发展,数字信号处理已经广泛地应用于通信、信号处理、生物医学以及自动控制等领域中。离散傅立叶变换(DFT)及其快速算法FFT作为数字信号处理中的基本变换,有着广泛的应用。特别是近年来,基于FFT的4G通讯技术ODFM的兴起,进一步推动了对高速FFT处理器的研究。FFT算法诞生于20世纪60年代,经过数十年来的发展与完善,其理论已经趋于成熟,但由于该算法复杂但规律的特性,因此在硬件的实现方面仍值得继续研究。为了适应不同的硬件资源环境和数据量,可以引入并行的思想,通过对并行度的调节来适应不同的场景；同时为了满足越来越高速的应用需求,通过流水线的实现方式使电路可以工作在更高的频率。本文在分析和比较了各种FFT算法后,选择基8算法作为主体,并辅之以基2和基4算法,此外还支持大点数二维FFT算法,使得本文设计可以处理各种长度的输入序列。算法性能方面,在类似的硬件消耗情况下,本文设计的运算时间仅为完全采用基2算法的三分之一左右,并提高了运算精度。在电路设计方面,本文设计了一种规模仅为1/8个完整基8蝶形运算的轻量化蝶形单元电路,同时采用流水线工作模式,使该电路可以在1GHz工作频率下获得每周期一个数据点的吞吐量。为了方便扩展和裁剪,除控制模块之外的所有电路模块均采用了管线化设计,通过不同数量管线的并行,可以满足不同应用环境下的硬件资源限制和性能需求。为了获得更好的复用性,本文同时设计了与FFT处理器相配合的数据传输模块DMA_PORT。引入该模块后,本文设计在输入输出次序上可以同时支持正序和逆序、IFFT运算以及二维FFT算法的数据搬运工作。为了获得更高精度的结果,除了采用基8算法之外,还对旋转因子的生成进行了优化。在本文的设计中,采用2块容量为8KB的SRAM用于存储常数,相应的电路模块再使用这些常数实时计算出所需的旋转因子。通过优化计算过程和分析对称性,得到旋转因子仅需一次乘法。优化之后,本文设计的信噪比可以达到130dB以上。本文的设计经过功能验证、FPGA验证以及流片后测试,都可以得到正确的计算结果,综合结果显示该设计可以达到1GHz工作频率,满足了高速信号处理的设计要求。
【关键词】：FFT 可配置 高性能 高精度 蝶形单元 旋转因子
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 相关技术发展现状15-17
• 1.2.1 FFT算法发展现状15-16
• 1.2.2 FFT实现发展现状16-17
• 1.3 相关算法介绍17-25
• 1.3.1 算法概述17-18
• 1.3.2 频域抽取(DIF)基2FFT算法18-20
• 1.3.3 频域抽取(DIF)基4FFT算法20-23
• 1.3.4 频域抽取(DIF)基8FFT算法23-25
• 1.4 本文研究工作和内容组织25-26
• 1.5 课题来源26-27
• 第二章 FFT算法分析和选择27-32
• 2.1 运算中的“级”27
• 2.2 蝶形运算单元27-28
• 2.3 “级”之间的独立性28
• 2.4 码位倒置28-29
• 2.5 本设计对算法的选择29-32
• 第三章 设计理念和缓存架构32-39
• 3.1 设计理念32
• 3.2 缓存架构32-35
• 3.3 数据存放方式35-39
• 第四章 可配置FFT处理器的实现39-70
• 4.1 总体架构39-40
• 4.2 控制单元40-48
• 4.2.1 控制单元的组成40-41
• 4.2.2 controller模块41-43
• 4.2.3 ctrl_fsm模块43-47
• 4.2.4 控制单元的可配置特征47-48
• 4.3 蝶形运算单元48-51
• 4.3.1 蝶形单元的实现48-51
• 4.3.2 蝶形单元的可配置特征51
• 4.4 W因子生成单元51-54
• 4.4.1 W因子单元的实现51-53
• 4.4.2 W因子单元的可配置特征53-54
• 4.5 乘法单元54-55
• 4.6 索引单元55-64
• 4.6.1 R2_indexgen模块57-58
• 4.6.2 R4_indexgen模块58-60
• 4.6.3 R8_indexgen模块60-64
• 4.6.4 wmul_indexgen模块64
• 4.6.5 索引单元的可配置特征64
• 4.7 数据分发单元64-67
• 4.8 管线化设计与可配置特性67-70
• 4.8.1 管线化设计67-69
• 4.8.2 可配置特性69-70
• 第五章 二维FFT算法和DMA_port设计70-79
• 5.1 引入二维FFT算法的意义70
• 5.2 二维FFT算法70-71
• 5.3 二维FFT在处理器中的运算流程71-74
• 5.4 DMA_port的设计74-79
• 第六章 运算精度分析79-84
• 6.1 运算精度的来源分析79
• 6.2 对W因子生成过程的优化79-84
• 第七章 FFT处理器的验证与性能84-100
• 7.1 功能验证84-94
• 7.1.1 UVM简介84
• 7.1.2 UVM中的类84-88
• 7.1.3 UVM的内部机制88-92
• 7.1.4 搭建UVM平台并测试92-94
• 7.2 FPGA验证94-97
• 7.3 性能和精度97-100
• 第八章 总结与展望100-102
• 8.1 总结100-101
• 8.2 展望101-102
• 致谢102-103
• 参考文献103-107

【参考文献】

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本文编号：596090