用Xilinx Vivado HLS实现OFDM系统的高速FFT 模块

 2022-08-09 09:08

论文总字数:25644字

摘 要

随着科技的发展,信息的传输在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。人们对于信息传输的有效性、可靠性等要求越来越高,OFDM通信系统在其中扮演了非常重要的角色。系统中用于信号处理的FFT是核心算法之一。Xilinx公司提供的FFT IP核其本身存在着较大的处理延迟以及较低的处理速度等问题,时常不能满足现代高速OFDM系统的要求。同时Xilinx公司提供了HLS工具,可以在基于C语言的基础上自行编写满足条件的FFT处理程序。

高速FFT IP核的构建过程首先是编写符合HLS语法规则的串行运行的FFT算法,再通过HLS软件综合为可以并行处理数据的算法,最后将生成的IP核利用HLS软件自带的仿真软件进行测试。评价该算法的标准为HLS综合分析后得出的吞吐量以及相应的处理延迟。通过查表获得数据的方法减少了函数的调用,在很大程度上减少了资源占用。在本文的设计中,FFT算法由C语言编写,其核心为FFT各个级构成的迭代循环,再通过HLS添加pipeline指令,实现的对FFT算法的并行改造。可实现吞吐量即为输入的点数个数,延迟小于FFT长度,并且在HLS上的仿真测试也取得了成功,基本达到了设计要求。

关键词:HLS,快速傅里叶变换,旋转因子,迭代

Abstract

With the development of the technology, information transmission plays an increasingly important role in people’s daily lives. People are increasingly demanding the effectiveness and reliability of information transmission, and OFDM communication system plays a very important role in it. FFT for signal processing is one of the core algorithms in the system. The FFT IP core provided by Xilinx itself has many problems such as large processing delay and low processing speed, which often cannot meet the requirements of modern high-speed OFDM systems. At the same time, Xilinx has provided HLS tools to write self-conforming FFT processing programs based on C language.

The construction process of high-speed FFT IP core is firstly to write a serial FFT algorithm complying with HLS grammar rules, and then HLS software is integrated into an algorithm that can process data in parallel, and Finally, the generated IP cores are tested using the simulation software that comes with the HLS software. The criteria for evaluating this algorithm are the throughput obtained after HLS synthesis analysis and the corresponding processing delay. The method of obtaining data by looking up the table reduces the call of the function and largely reduces the resource consumption. In the design of this paper, the FFT algorithm is written in C language. The core of the FFT algorithm is the iterative loop formed by each stage of the FFT. Then the pipeline instruction is added through the HLS to achieve the parallel transformation of the FFT algorithm. The throughput can be realized as the number of input points, the delay is less than the FFT length, And the simulation test on HLS has also been successful, basically meeting the design requirements.

KEY WORDS: HLS, Fast Fourier Transform, Rotation factor, Iterative

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景介绍与研究意义 1

1.2 课题研究的知识背景 2

1.2.1 FFT算法的基本架构 3

1.2.2 FPGA开发简介 3

1.3 国内外研究现状 4

1.4 研究内容和技术指标 5

1.5 本文结构 6

第二章 OFDM系统架构和FFT算法的基本概念 7

2.1 OFDM的基本结构与原理 7

2.1.1 OFDM系统结构模型 7

2.1.2 OFDM系统内FFT的作用 8

2.2 傅里叶变换理论 9

2.2.1 信号离散化 9

2.2.2 离散傅里叶变换 10

2.3 本章小结 12

第三章 高层次开发工具HLS开发平台介绍 13

3.1 Vivado HLS开发平台简介 13

3.2 Vivado HLS 的适用性与优越性 14

3.3 Vivado HLS的数据处理功能 15

3.3.1 任意精度的整形数据 15

3.3.2 图像处理 15

3.3.3 网络处理与控制 16

3.3.4 IP封装 16

3.4 本章小结 16

第四章 基于HLS平台的FFT算法的设计与优化 17

4.1 开发界面 17

4.2 FFT 算法代码设计 18

4.2.1 旋转因子的生成 18

4.2.2 蝶形运算模块设计 19

4.2.3 输入数据转置模块与复数运算函数模块 20

4.3 算法代码正确性的验证 21

4.4 FFT算法的优化 22

4.4.1 粗优化指令命令 22

4.4.2 资源分配优化 26

4.4.3 端口输入数据优化 29

4.4.4 算法内数据的精优化 30

4.4.5 可拓展性的开发 32

4.5 C/RTL联合仿真测试 33

4.6 本章小结 35

第五章 总结与展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 37

致 谢 38

参考文献 39

绪论

背景介绍与研究意义

在科技高速发展的21世纪。通信在人们的日常生活领域起着越来越重要的地位,高速化的通信技术特别是能够进行无线通信的移动通信技术将会是未来科技发展的热门项目。当前国际上最为流行的移动通信技术是长期演进(Long Term Evolution,LTE)技术,即人们日常生活中常常能够接触到的4G技术。4G技术的前身是第3代通信技术的长期演进下被人们推广和发展起来的。目前除了LTE技术还有它的加强版LTE-A技术被无数全球通信运营商所用,得到了非常广泛的推广与支持。图1-1中清晰的展示出了,通信技术标准的发展速率正在以指数级的形式上升。通信的速率也在不断提升,而通信之间的标准呈现出多标准、多兼容的发展态势。

图1-1 通信技术的发展史

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