基于FPGA的FFT算法硬件实现 集成电路, 应用数学, 信息学, 硬件

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FFT（快速傅里叶变换）是一种非常重要的算法，在信号处理、图像处理、生物信息学、计算物理、应用数学等方面都有着广泛的应用。在高速数字信号处理中，FFT的处理速度往往是整个系统设计性能的关键所在。FPGA（现场可编程门阵列）是一种具有大规模可编程门阵列的器件，不仅具有ASIC（专用集成电路）快速的特点，更具有很好的系统实现的灵活性。基于FPGA的设计可以满足实时数字信号处理的要求，在市场竞争中具有很大的优势。因此，FPGA为高速FFT算法的实现提供了一个很好的平台。

1 FFT算法的硬件实现

1.1系统框图

本设计利用流水线技术来提高系统的性能，系统框图，如图1所示。其中，地址产生单元生成RAM读写地址，写使能信号以及相关模块的启动、控制信号，是系统的控制核心；4点蝶形运算单元的最后一级输出不是顺序的；旋转因子产生单元生成复乘运算中的旋转因子的角度数据；旋转因子ROM中预置了每一级运算中所需的旋转因子。



在FPGA设计中，为提高系统的运行速度，而将指令分为几个子操作，每个子操作由不同的单元完成，这样，每一级的电路结构得到简化，从而减少输入到输出间的电路延时，在较小的时钟周期内就能够完成这一级的电路功能。在下一个时钟周期到来时，将前一级的结果锁存为该级电路的输入，这样逐级锁存，由最后一级完成最终结果的输出。也就是说，流水线技术是将待处理的任务分解为相互有关而又相互独立、可以顺序执行的子任务来逐步实现。本设计中，4点蝶形运算单元、旋转因子复乘模块以及最后的精度截取模块采用流水线技术来处理。

1.2基4蝶形运算算法原理



式（1）为基4蝶形运算单元的一般表达式，其中，，N为FFT运算的点数，本设计中为1 024，p为旋转因子W的相位角，其规律将在1.4节讨论。X（0）、X（1）、X（2）、X（3）为原始数据，顺序输入RAM后蝶形倒序输出，与旋转因子复乘再进行4点蝶形运算，而X1（0）、X1（1）、X1（2）、X1（3）即为第1级蝶形运算的结果。此时RAM存储的原始数据已经清空，将第1级蝶形运算结果再存回RAM中，按照一定的地址输出后，与第2级的旋转因子复乘、4点蝶形运算，得到第2级蝶形运算结果，依此类推。由于蝶形运算为同址操作，所以第2级的RAM写地址即为第一级的RAM读地址，每一级的RAM读地址规律将在1.3节中讨论。

1024点的基4-FFT共需要5级蝶形运算，每级需要计算256个蝶形，其传统实现框图如图2所示。



考虑到第一级蝶形运算不需要旋转因子，所以第一级的旋转因子复乘模块可以省略，但本设计的硬件结构需要循环利用，一般情况下，可以对第一级数据进行×1运算，再进行4点蝶形运算。不过，考虑到我们并不关心每一级蝶形运算后的结果，本文提出了一种蝶形运算的新结构：即先进行前一级的4点蝶形运算，再进行本级的与旋转因子复乘运算，如图3所示。



可以看出，图3减少了一个旋转因子复乘模块，不但节约了一次乘法运算时间，也省略了第一级旋转因子，更好地利用了硬件结构。

首先，在QuartusⅡ环境中对4点蝶形运算时序仿真，采用流水线设计，连续输入连续输出，仿真结果如图4所示。



由图4可以看出，输出比输入延时6个时钟，这在系统的控制核心地址产生单元的设计中需要考虑到。

1.3地址产生与时序控制

对于1 024.点基4 FFT运算，需要5级蝶形运算，每一级运算都要有写地址和读地址，根据FFT同址运算的特点可知，当前的写地址即是上一级蝶形运算的读地址。因此完成FFT运算需要设计6级RAM地址。其中第1级的写地址即是数据输入的顺序地址，不予讨论。最后一级读地址为数据正序输出所需的地址。其余4级为1 024点数据对应的FFT蝶形运算。

第一级读取节点地址的顺序应该是：（0，256，512.768），（1，257，513，769），……，（255，511.767，1 023）。易观察其读地址的规律如下：设读取次序的二进制编码为bit[9：0]；则读地址的二进制编码为{bit[1：O]，bit[9：2]}，并且依次可以推出第2、3、4级的读地址二进制编码分别为{bit[9：8]，bit[1：0]，bit[7：2]}，{bit[9：6]，bit[1：0]，bit[5：2]}、{bit[9：4]，bit[1：0]，bit[3：2]}，而最后一级输出数据的地址二进制编码则为：{bit[1：0]，bit[3：2]，bit[5：4]，bit[7：6]，bit[9：8]}.图5给出了第1级读地址和第2级读地址的部分数据，也可以看出第2级的写地址即是第1级的读地址。