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《基于fpga的快速傅立叶的变换》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、基于FPGA的快速傅立叶的变换.freel=(4n1+n2)(2048k1+k2)(n=4n1+n2,k=2048k1+k2)其中n1和k2可取0,1,...,2047,k1和n2可取0,1,2,3。由式(3)可知,8k傅立叶变换可由4×2k的傅立叶变换构成。同理,4k傅立叶变换可由2×2k的傅立叶变换构成。而2k傅立叶变换可由128×16的傅立叶变换构成。128的傅立叶变换可进一步由16×8的傅立叶变换构成,归根结底,整个傅立叶变换可由基2、基4的傅立叶变换构成。2k的FFT可以通过5个基4和1个基2变换来实现;4k的
2、FFT变换可通过6个基4变换来实现;8k的FFT可以通过6个基4和1个基2变换来实现。也就是说:FFT的基本结构可由基2/4模块、复数乘法器、存储单元和存储器控制模块构成,其整体结构如图1所示。图1中,RAM用来存储输入数据、运算过程中的中间结果以及运算完成后的数据,ROM用来存储旋转因子表。蝶形运算单元即为基2/4模块,控制模块可用于产生控制时序及地址信号,以控制中间运算过程及最后输出结果。2蝶形运算器的实现基4和基2的信号流如图2所示。图中,若A=r0+j*i0,B=r1+j*i1,C=r2+j*i2,D=r3+j*
3、i3是要进行变换的信号,存储旋转因子时,可以只存储旋转因子表的一部分,而在读出时增加读出地址及符号的控制,这样可以正确实现FFT。因此,充分利用旋转因子的性质,可节省70%以上存储单元。实际上,由于旋转因子可分解为正、余弦函数的组合,故ROM中存的值为正、余弦函数值的组合。对2k/4k/8k的傅立叶变换来说,只是对一个周期进行不同的分割。由于8k变换的旋转因子包括了2k/4k的所有因子,因此,实现时只要对读ROM的地址进行控制,即可实现2k/4k/8k变换的通用。5存储器的控制因FFT是为时序电路而设计的,因此,控制信号
4、要包括时序的控制信号及存储器的读写地址,并产生各种辅助的指示信号。同时在计算模块的内部,为保证高速,所有的乘法器都须始终保持较高的利用率。这意味着在每一个时钟来临时都要向这些单元输入新的操作数,而这一切都需要控制信号的紧密配合。为了实现FFT的流形运算,在运算的同时,存储器也要接收数据。这可以采用乒乓RAM的方法来完成。这种方式决定了实现FFT运算的最大时间。对于4k操作,其接收时间为4096个数据周期,这样煟疲疲缘淖畲笤怂闶奔渚褪牵矗埃梗陡鍪据周期。另外,由于输入数据是以一定的时钟为周期依次输入的,故在进行内部运算时,
5、可以用较高的内部时钟进行运算,然后再存入RAM依次输出。为节省资源,可对存储数据RAM采用原址读出原址写入的方法,即在进行下一级变换的同时,首先应将结果回写到读出数据的RAM存贮器中;而对于ROM,则应采用与运算的数据相对应的方法来读出存储器中旋转因子的值。在2k/4k/8k傅立叶变换中,要实现通用性,控制器是最主要的模块。2k、4k、8k变换具有不同的内部运算时间和存储器地址,在设计中,针对不同的点数应设计不同的存储器存取地址,同时,在完成变换后,还要对开始输出有用信号的时刻进行指示。6硬件的选择本设计的硬件实现选用的
6、是现场可编程门阵列(FPGA)来满足较高速度的需要。本系统在设计时选用的是ALTERA公司的STRATIX芯片,该芯片中包含有DSP单元,可以完成较为耗费资源的乘法器单元。同时,该器件也包含有大量存储单元,从而可保证旋转因子的精度。除了一些专用引脚外,FPGA上几乎所有的引脚均可供用户使用,这使得FPGA信号处理方案具有非常好的I/O带宽。大量的I/O引脚和多块存储器可使设计获得优越的并行处理性能。其独立的存储块可作为输入/工作存储区和结果的缓存区,这使得I/O可与FFT计算同时进行。在实现的时间方面,该设计能在4096
7、个时钟周期内完成一个4096点的FFT。若采用10MHz的输入时钟,其变换时间在200μs左右。而由于最新的FPGA使用了MultiTrack互连技术,故可在250MHz以下频率稳定地工作,同时,FFT的实现时间也可以大大缩小。FFT运算结果的精度与输入数据的位数及运算过程中的位数有关,同时和数据的表示形式也有很大关系。一般来说,浮点方式比定点方式精度高。而在定点计算中,存储器数据的位数越大,运算精度越高,使用的存储单元和逻辑单元也越多。在实际应用中,应根据实际情况折衷选择精度和资源。本设计通过MATLAB进行仿真证明:
8、其实现的变换结果与MATLAB工具箱中的FFT函数相比,信噪比可以达到65db以上,完全可以满足一般工程的实际应用要求应用中,应根据实际情况折衷选择精度和资源。本设计通过MATLAB进行仿真证明:其实现的变换结果与MATLAB工具箱中的FFT函数相比,信噪比可以达到65db以上,完全可以满足一般工程的实际应用要求
