FPGA在數(shù)字信號處理系統(tǒng)方面的應(yīng)用

1、 1、課題簡介、課題簡介2、課題總體設(shè)計(jì)思想、課題總體設(shè)計(jì)思想3、課題各模塊的實(shí)現(xiàn)、課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題簡介課題簡介 本課題旨在研究用FPGA實(shí)現(xiàn)FFT算法，重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了FFT算法中的蝶形處理單元，并采用高效乘法器算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了蝶形處理單元中的旋轉(zhuǎn)因子乘法器。 課題的實(shí)現(xiàn)方案采用基2 FFT算法以及單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，用VHDL語言完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述，中間數(shù)據(jù)緩存單元采用雙口RAM，減少了訪問RAM的時(shí)鐘消耗。在Quartus 這一軟件環(huán)境下，經(jīng)過編譯、綜合和下載，給出了仿真測試的結(jié)果。理論和仿真分析論證了該方案的有效性，從而證明了用FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字信號處理的可行性。課題總體設(shè)計(jì)思想課題

2、總體設(shè)計(jì)思想FFT處理器的實(shí)現(xiàn)框圖：課題總體設(shè)計(jì)思想課題總體設(shè)計(jì)思想FFT的硬件實(shí)現(xiàn)： 對于按時(shí)間抽取的FFT，基本的蝶形運(yùn)算如下： 其中A、B表示輸入的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，C、D表示運(yùn)算結(jié)果， 為蝶形系數(shù)。可知，基-2 FFT蝶形處理器的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)復(fù)數(shù)加法器、一個(gè)復(fù)數(shù)減法器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子乘法器。kNkNBWADBWAC課題總體設(shè)計(jì)思想課題總體設(shè)計(jì)思想蝶形運(yùn)算單元的實(shí)現(xiàn)框圖： 這里蝶形運(yùn)算單元采用這里蝶形運(yùn)算單元采用CycloneCyclone系列器件進(jìn)系列器件進(jìn)行仿真。其中，操作數(shù)行仿真。其中，操作數(shù)A A、B B、C C、D D存放在存放在RAMRAM中，中，旋轉(zhuǎn)因子存放在旋轉(zhuǎn)因子存放在ROMRO

3、M中。中。課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn)1、旋轉(zhuǎn)因子乘法器的實(shí)現(xiàn) 旋轉(zhuǎn)因子的復(fù)數(shù)乘法通常由旋轉(zhuǎn)因子的復(fù)數(shù)乘法通常由4 4次實(shí)數(shù)乘法和次實(shí)數(shù)乘法和6 6次實(shí)次實(shí)數(shù)加減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過運(yùn)算的簡化，可以只用數(shù)加減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過運(yùn)算的簡化，可以只用3 3次實(shí)數(shù)乘法和次實(shí)數(shù)乘法和3 3次實(shí)數(shù)加減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法器。次實(shí)數(shù)加減法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法器。 高效復(fù)數(shù)乘法器的具體算法如下所述：高效復(fù)數(shù)乘法器的具體算法如下所述： 設(shè)復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)因子乘法設(shè)復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)因子乘法R+jI=(X+jY)(C+jS)R+jI=(X+jY)(C+jS)，因?yàn)?，因?yàn)镃 C和和S S可以預(yù)先計(jì)算的，并可以儲(chǔ)存在一個(gè)表中。所以我可以

4、預(yù)先計(jì)算的，并可以儲(chǔ)存在一個(gè)表中。所以我們可以儲(chǔ)存下面的三個(gè)系數(shù)：們可以儲(chǔ)存下面的三個(gè)系數(shù)： C C、C+SC+S、C-SC-S課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 有了這有了這3 3個(gè)預(yù)先計(jì)算的因子，我們可以首先計(jì)算個(gè)預(yù)先計(jì)算的因子，我們可以首先計(jì)算E=X-YE=X-Y和和Z=CZ=C* *E=CE=C* *(X-Y)(X-Y)，然后用，然后用 R=(C-S) R=(C-S)* *Y+Z Y+Z I=(C+S) I=(C+S)* *X-ZX-Z 計(jì)算最后的乘積。計(jì)算最后的乘積。 這種算法使用了這種算法使用了3 3次乘法、次乘法、1 1次加法和次加法和2 2次減法，其次減法，其代價(jià)是多使用了一個(gè)表

5、。由以上高效復(fù)數(shù)乘法器原理，代價(jià)是多使用了一個(gè)表。由以上高效復(fù)數(shù)乘法器原理，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘法器?？梢栽O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘法器。課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的硬件的輸入輸出框圖如下圖所示： 其中，旋轉(zhuǎn)因子乘法器是由其中，旋轉(zhuǎn)因子乘法器是由3 3個(gè)個(gè)lpm_multlpm_mult組件實(shí)組件實(shí)例和例和3 3個(gè)個(gè)lpm_add_sublpm_add_sub模塊來實(shí)現(xiàn)的。模塊來實(shí)現(xiàn)的。課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 假如有假如有8 8位二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)，系數(shù)就應(yīng)該有位二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)，系數(shù)就應(yīng)該有8 8位，位，再加上符號，并且乘以再加上符號，并且乘以 時(shí)，量化成時(shí)，量化成8 8位，

6、位，旋轉(zhuǎn)因子就變成了旋轉(zhuǎn)因子就變成了 。我們給定。我們給定輸入值為輸入值為50+45j50+45j，從理論上所計(jì)算的結(jié)果應(yīng)為：，從理論上所計(jì)算的結(jié)果應(yīng)為：(50+45j)(50+45j)* * =(50+45j)(121+j39) =(50+45j)(121+j39)256256 =(4295+j7395) =(4295+j7395)256=16+j28256=16+j28 由于使用高效乘法器算法計(jì)算復(fù)數(shù)乘法，由于使用高效乘法器算法計(jì)算復(fù)數(shù)乘法，3 3個(gè)因個(gè)因子分別為：子分別為：C=12lC=12l，C+S=160C+S=160，C-S=82C-S=82209/jjee391212569/je

7、jSCj209/jjee課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 輸入值為50+45j，旋轉(zhuǎn)因子 時(shí)的仿真波形如下圖所示：391212569/jejSCj課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 其中其中clk clk 是時(shí)鐘信號，是時(shí)鐘信號，x_in x_in 和和y_iny_in分別是輸入數(shù)分別是輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部與虛部，這里輸入為據(jù)的實(shí)部與虛部，這里輸入為50+45j50+45j，所以所加輸入，所以所加輸入激勵(lì)為激勵(lì)為x_in=50 x_in=50、y_in=45y_in=45。c_inc_in、cas_incas_in、css_in css_in 就就是所計(jì)算得出的因子是所計(jì)算得出的因子C C、C+SC+

8、S、C-SC-S，這里，這里C=121C=121、C+S=160C+S=160、C-S=82C-S=82，仿真得到的輸出分別為，仿真得到的輸出分別為r_out=16r_out=16、i_out=28i_out=28。 這和前面理論上算得的輸出結(jié)果是完全相符的，這和前面理論上算得的輸出結(jié)果是完全相符的，從而證明了基于高效乘法器所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘從而證明了基于高效乘法器所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)乘法器的正確性。法器的正確性。 課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn)2、蝶形運(yùn)算單元的實(shí)現(xiàn)對應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)的輸入輸出框圖： 其中該運(yùn)算單元由上面所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)因子乘法器和其中該運(yùn)算單元由上面所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)因子乘法器和Qu

9、artus IIQuartus II中的中的lpm_add_sublpm_add_sub模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在計(jì)算一下輸入分別為A=20+30j、B=50+45j，旋轉(zhuǎn)因子C+jS=256* =121+j39時(shí)蝶形運(yùn)算理論上得到的計(jì)算結(jié)果：A+B =(20+30j)+(50+45j)(12l+j39)256 =(20+30j)+(4295+7395j)256 =(20+30j)+(16+28j)=36+58jA-B =(20+30j)-(50+45j)(121+j39)256 =(20+30j)-(4295+7395j)256 =(20+30j)-(

10、16+28j)=4+2j9 /je9 /je9 /je課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 對輸入值為A=20+30j、B=50+45j、旋轉(zhuǎn)因子C+jS=256* =121+j39時(shí)進(jìn)行仿真，可得到仿真波形如下：9/je課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊的實(shí)現(xiàn) 其中其中clk clk 為時(shí)鐘信號，為時(shí)鐘信號，Are_in Are_in 和和Aim_inAim_in是輸入是輸入A=20+30jA=20+30j的實(shí)部與虛部，即輸入激勵(lì)的實(shí)部與虛部，即輸入激勵(lì)A(yù)re_in=20Are_in=20、Aim_in=30Aim_in=30；Bre_in Bre_in 和和Bim_inBim_in是輸入是輸入B=50

11、+45jB=50+45j的實(shí)部的實(shí)部與虛部，即輸入激勵(lì)與虛部，即輸入激勵(lì)Bre_in=50Bre_in=50、Bim_in=45Bim_in=45；c_inc_in、cas_incas_in、css_incss_in是計(jì)算得出的是計(jì)算得出的C C、C+SC+S、C-SC-S，這里，這里C=121C=121、C+S=160C+S=160、C-S=82C-S=82；在；在Quartus IIQuartus II中仿真得到中仿真得到的輸出分別為的輸出分別為Dre_out =36Dre_out =36、Dim_out=58Dim_out=58、 Ere_out=4 Ere_out=4、 Eim_out=2Eim_out=2。 這和前面理論上計(jì)算得到的結(jié)果是完全相符的，這和前面理論上計(jì)算得到的結(jié)果是完全相符的，從而說明基于從而說明基于VHDLVHDL語言設(shè)計(jì)的蝶形處理單元的正確性。語言設(shè)計(jì)的蝶形處理單元的正確性。課題各模塊的實(shí)現(xiàn)課題各模塊