基于FPGA的FFT硬件架构设计与实现

发布时间：2017-10-05 22:38

  本文关键词：基于FPGA的FFT硬件架构设计与实现

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【摘要】：本文设计并实现一种基于FPGA的高速可配置FFT处理器,充分利用FPGA并行运算的优点,不仅能够实现64~2048个点的FFT运算,还可以提高运算速度和可操作性。在综合考虑运算复杂度和控制难度的基础上,采用了基于频率抽取的基-4和基-2混合基算法。本设计中每一级蝶形运算都可以在部分数据完成计算和存储之后就开始新一级运算,不用等待所有运算数据计算并存储完成之后开始,这样就做到了多级运算交叉进行,可以进一步提高FFT运算速度。为了避免出现蝶形运算结果溢出的现象,本文设计了一种溢出控制机制。本文通过信号流图和数据表格详细分析了多种FFT算法的特性,列举了多种硬件实现结构,对RTL级的设计做了具体阐述,给出了FPGA实现及前后仿结果,验证了整个系统以及各功能模块的正确性。
【关键词】：FFT FPGA 多级运算 溢出
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP332;TN791
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题的提出9-11
• 1.1.1 FFT算法研究现状9-10
• 1.1.2 FFT处理器研究现状10-11
• 1.1.3 FPGA发展现状11
• 1.2 本论文主要研究工作11-12
• 1.3 论文结构12-13
• 第二章 FFT算法原理13-33
• 2.1 DIT基-2 FFT算法（Cooley-Tukey算法）14-20
• 2.1.1 算法原理14-16
• 2.1.2 运算规律和特点16-18
• 2.1.3 DIT基-2FFT与DFT运算量的比较18-19
• 2.1.4 DIT基-2FFT算法与DIF基-2FFT算法的比较19-20
• 2.2 基-4 FFT算法20-23
• 2.2.1 DIT基-4 FFT算法原理20-21
• 2.2.2 DIF基-4 FFT算法原理21-23
• 2.2.3 DIT基-4 FFT与DIF基-4 FFT计算量比较23
• 2.3 基-8 FFT算法23-28
• 2.3.1 DIT基-8 FFT算法原理23-26
• 2.3.2 DIF基-8 FFT算法原理26-28
• 2.3.3 DIT基-8 FFT与DIF基-8 FFT计算量比较28
• 2.4 混合基FFT算法28-32
• 2.4.1 整数的多基多进制表示形式29-30
• 2.4.2 复合数算法30-32
• 2.5 本章总结32-33
• 第三章 高速FFT硬件设计方法33-47
• 3.1 常见FFT处理器硬件实现结构33-35
• 3.1.1 存储器结构33
• 3.1.2 流水线结构33-34
• 3.1.3 并行结构34-35
• 3.1.4 阵列结构35
• 3.1.5 总结35
• 3.2 流水线结构分类35-41
• 3.2.1 基-2 多路延迟转换器35-37
• 3.2.2 基-4 多路延迟转换器37-38
• 3.2.3 基-2 单路延迟转换器38-39
• 3.2.4 基-4 单路延迟转换器39-40
• 3.2.5 总结40-41
• 3.3 FFT总体方案设计41-45
• 3.4 本章总结45-47
• 第四章 FFT处理器架构FPGA设计与实现47-69
• 4.1 FPGA实现总体框架47
• 4.2 地址生成与控制单元47-51
• 4.3 蝶形运算单元51-61
• 4.3.1 Radix-2 PE-204852-53
• 4.3.2 Radix-2/4 PE-1024&51253-55
• 4.3.3 Radix-2 PE-256&12855-56
• 4.3.4 Radix-2/4 PE-64&3256-58
• 4.3.5 Radix-2/4 PE-16&858-60
• 4.3.6 Radix-2/4 PE-4&260-61
• 4.4 延时缓存单元61-63
• 4.4.1 乒乓结构SRAM62-63
• 4.4.2 移位寄存器63
• 4.5 旋转因子单元63-65
• 4.5.1 Twiddle factor 164
• 4.5.2 Twiddle factor 264
• 4.5.3 Twiddle factor 364
• 4.5.4 Twiddle factor 464
• 4.5.5 Twiddle factor 564-65
• 4.5.6 Twiddle factor 665
• 4.6 溢出控制机制65-66
• 4.7 倒序处理66-68
• 4.8 不同FFT点数处理机制68
• 4.9 本章总结68-69
• 第五章 FFT硬件架构仿真验证69-72
• 5.1 功能仿真与FPGA验证69-70
• 5.2 信号仿真与验证70-72
• 5.2.1 正弦波信号仿真70
• 5.2.2 三角波信号仿真70-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 总结72
• 6.2 展望72-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-76

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本文编号：979237