用fpga实现fft算法

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1、用FPGA实现FFT算法引言　　DFT(DiscreteFourierTransformation)是数字信号分析与处理如图形、语音及图像等领域的重要变换工具，直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比。当N较大时，因计算量太大，直接用DFT算法进行谱分析和信号的实时处理是不切实际的。快速傅立叶变换(FastFourierTransformation，简称FFT)使DFT运算效率提高1～2个数量级。其原因是当N较大时，对DFT进行了基4和基2分解运算。FFT算法除了必需的数据存储器ram和旋转因

2、子rom外，仍需较复杂的运算和控制电路单元，即使现在,实现长点数的FFT仍然是很困难。本文提出的FFT实现算法是基于FPGA之上的，算法完成对一个序列的FFT计算，完全由脉冲触发，外部只输入一脉冲头和输入数据，便可以得到该脉冲头作为起始标志的N点FFT输出结果。由于使用了双ram，该算法是流型(Pipelined)的，可以连续计算N点复数输入FFT，即输入可以是分段N点连续复数数据流。采用DIF(DecimationInFrequency)-FFT和DIT(DecimationInTime)-FFT对于

3、算法本身来说是无关紧要的，因为两种情况下只是存储器的读写地址有所变动而已，不影响算法的结构和流程，也不会对算法复杂度有何影响。算法实现的可以是基2/4混合基FFT，也可以是纯基4FFT和纯基2FFT运算。傅立叶变换和逆变换对于变换长度为N的序列x(n)其傅立叶变换可以表示如下： NnkX(k)=DFT[x(n)]=Σx(n)W n=0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１）其中，W=exp(-2π/N)。当点数N较大时，必须对式(1)进行基4/基2分解，以短点数实现长点数的变换。而IDFT的

4、实现在DFT的基础上就显得较为简单了：　　式（２）由式(2)可以看出，在FFT运算模块的基础上，只需将输入序列进行取共轭后再进行FFT运算，输出结果再取一次共轭便实现了对输入序列的IDFT运算，因子1/N对于不同的数据表示格式具体实现时的处理方式是不一样的。IDFT在FFT的基础上输入和输出均有一次共轭操作，但它们共用一个内核，仍然是十分方便的。基4和基2基4和基2运算流图及信号之间的运算关系如图1所示：（a）基４蝶形算法（b）基２蝶形算法　以基4为例，令A=r0+j×i0；B=r1+j×i1；C=r2

5、+j×i2；D=r3+j×i3；Wk0=c0+j×s0：Wk1=c1+j×s1；Wk2=c2+j×s2；Wk3=c3+j×s3。分别代入图1中的基4运算的四个等式中有：A'=[r0+(r1×c1-i1×s1)+(r2×c2-i2×s2)+(r3×c3-i3×s3)]+j[i0+(i1×c1+r1×s1)+(i2×c2+r2×s2)+(i3×c3+r3×s3)]式(3)B'=[r0+(i1×c1+r1×s1)-(r2×c2-i2×s2)-(i3×c3+r3×s3)]+j[i0-(r1×c1-i1×s1)-

6、(i2×c2+r2×s2)+(r3×c3-i3×s3)]式(4)C'=[r0-(r1×c1-i1×s1)+(r2×c2-i2×s2)-(r3×c3-i3×s3)]+j[i0-(i1×c1+r1×s1)+(i2×c2+r2×s2)-(i3×c3+r3×s3)]式(5)D'=[r0-(i1×c1+r1×s1)-(r2×c2-i2×s2)+(i3×c3+r3×s3)]+j[i0+(r1×c1-i1×s1)-(i2×c2+r2×s2)-(r3×c3-i3×s3)]式(6)　　可以看出，式(3)至式(6)有多个公

7、共项和类似项，这一点得到充分利用之后可以大大缩减基4和基2运算模块中的乘法器的个数，如上面A'至D'的四个等式中的这三对类似项：(r1×c1-i1×s1)与(i1×c1+r1×s1)、(r2×c2-i2×s2)与(i2×c2+r2×s2)、(r3×c3-i3×s3)与(i3×c3+r3×s3)以高于输入数据率的时钟进行时分复用，最终可以做到只需要3个甚至1个复数乘法器便可以实现。基2运算之所以采用图1-(b)中的形式进行基2运算，是为了将基本模块做成基4/2复用模块，它对于N有着更大的适用性和可借鉴性。

8、在基4、基2和基4/2模块的基础上，构建基16、基8和基16/8模块有着非常大的意义。算法实现　　傅立叶变换实现时首先进行基2、基4分解，一般来说，如果算法使用基4实现，虽然使用的资源多了一些，但速度上的好处足以弥补。如果资源充足，使用基16、基8或基16/8复用模块，速度可以大大提高。一般FFT实现简单框图如图2所示。 　　在图2中，运算模块即为基2/4/8/16模块或它们的复用模块，Rom表中存储的是N点旋转因子表。控制模块产生所有的控