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1、【标题】基于FPGA的FFT的实现【作者】孙艳菱【关键词】FFT FPGA VHDL 基-2DIT Modelsim【指导老师】【专业】物理学【正文】1.绪言1.1.课题背景数字信号处理领域中FFT作为时域和频域转换的基本运算,是数字谱分析的必要前提。因FFT的超级运算能力,使其在雷达处理、观测、跟踪、定时定位处理、高速图像处理、保密无线通讯和数字通信、匹配滤波等领域中得到极为广泛地应用。近年来由于现场可编程门阵列的飞速发展,他能够进行并行信号处理,容易实现流水线结构,且升级简便,非常适合实现FFT算法。但这些
2、器件价格十分昂贵,不能得到广泛应用。因此,自主研发基于FPGA芯片的FFT处理器,把FFT实时化的要求和FPGA芯片设计灵活性结合起来,实现并行算法与硬件结构的优化配置,提高FFT处理速度,满足现代信号处理的高速度、高可靠性要求,已经成为了当今数字信号处理的一个研究点。本文正是适应这种趋势,采用时间抽取基4算法,设计并实现了一个集成于FPGA内部的FFT处理器。相对于传统的设计方法,应用FPGA作为算法实现的载体,使得FFT处理器除了具有算法实现准确性高和设备的稳定性强等特点外,更有系统集成度高、简单灵活、体积小
3、、易于升级扩展和成本低廉等优点。1.2.理论的渊源及演进过程1965年发表的Cooley-Tukey快速傅立叶变换(FFT)算法,开创了数字信号处理的一个新里程?在使用数字信号处理技术的应用领域里FFT算法起着极为重要的作用?随着信号带宽不断提高,相应的处理能力不断增强,而作为信号处理领域内,时域到频域变换工具的FFT,其运算速度相应也在不断加快?[2]70年代以来,微电子集成电路技术及其工艺的发展,为复杂信号处理的实现提供了可能?信号处理的研究不仅限于一般理论和方法的探讨,更多侧重于实现方面,新的实现方法与算法
4、的成果层出不穷.在此基础上发展起来的新一代系统,其优化和自适应性能大大提高,早期系统己无法与其相提并论?现场可编程门阵列FPGA是80年代中期出现的新型高密度?可编程逻辑器件,它是在PAL,GAL,EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物?通过编程可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路,因而大大加快电子产品的研发周期,降低研发成本,缩短产品上市时间?FPGA具有高密度,运行速度快(管脚间的延时小,仅几个ns)的特点?用它来设计数字电路,可以简化系统设计,缩小数据规模,提高系统的稳定性?[
5、4]1.3.国内外研究现状和有待解决的问题数字信号处理技术和超大规模集成电路技术相结合构成和正在构成许多既具有实时性又经济和小型化的数字信号处理设备,从而使数字信号处理技术的优点得到充分的发挥,主要有软件实现和硬件实现两种方法:一种是使用单片机或DSP通过软件编程来实现?DSP以其低功耗?高速?高集成度和高性价比,在军用?工业和民用领域担负越来越重要的任务,特别是在现代信息产业,许多通信系统功能逐渐由硬件定义向软件定义的方向发展,而DSP是实行这一转变的不可缺少的核心技术?利用软件编程来实现FFT,虽然有很大的灵
6、活性,但受DSP本身性能及程序指令顺序执行的限制,难以实现高速?大规模的FFT运算。另一种是应用特定目的的固定功能的ASIC专用芯片?这种用户定制的大规模集成电路可以实现很高的运算速度且相当省电,非常适合高速信号处理系统的应用?然而,ASIC不能重新组态,在产品发展的过程中,它的功能无法任意修正或改进。因此,任何的线路改版都需要重新设计并且重新制造,这些步骤不仅增加开发成本,而且造成产品快速上市的障碍?[5]现场可编程门阵列FPGA是八十年代中期出现的新型高密度?可编程逻辑器件,它是在PAL,GAL,EPLD等可
7、编程器件的基础上进一步发展的产物?通过编程可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路,因而大大加快电子产品的研发周期,降低研发成本,缩短产品上市时间?FPGA具有高密度,运行速度快?用它来设计数字电路,可以简化系统设计,缩小数据规模,提高系统的稳定性?用户可以对FPGA芯片反复地编程?擦除?使用或者在外围电路不动地情况下用不同软件就可实现不同的功能?而采用FPGA进行设计,产品上市周期可以缩短到几个星期,甚至几天?我国的FPGA技术起步较晚,基础薄弱,所设计的FFT处理器无论是速度,还是可扩展性
8、上都与国外有一定差距?因此,自主研发设计基于FPGA芯片的FFT,把FFT实时化的要求和FPGA芯片设计灵活性结合起来,实现并行算法与硬件结构的优化配置,提高FFT处理速度,满足现代信号处理的高速度?高可靠性要求,成为了现今我国数字信号处理的一个研究点?1.4.FFT的物理意义FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的
