FFT硬件处理器设计

论文总字数：28039字

摘 要

低压电力线载波通信技术利用低压供电线路实现数据传输，在自动抄表、照明控制、家居智能控制等方面被广泛应用。正交多载波调制（OFDM, Orthogonal Frequency Division）是一种先进的调制技术，已成为新一代电力线载波通信的主流技术。OFDM的发送机和接收机分别包含快速傅里叶反变换（IFFT, Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里叶变换（FFT, Fast Fourier Transform）。因此，FFT硬件处理器成为重要的研究热点。本文设计出一个基-4的1024点的FFT硬件处理器，复用同一核心模块，不仅能够满足接收时域转频域的需求，而且能够满足发送频域转时域的需求。在推导分析基-4FFT算法后，本文选择按频率抽取的FFT算法作为FFT硬件处理器的算法。本文在分析各种FFT硬件处理器的结构的基础上，提出一种基于存储器结构的FFT硬件实现方法。针对FFT硬件处理器的结构，对fft算法进行定点化，确定RAM的最佳位宽为14，ROM的最佳位宽为12。在此基础上，设计出存储单元、优化的复数乘法器、蝶形运算单元、地址生成单元、控制单元等。整个设计在Linux系统下用RTL级VerilogHDL硬件描述语言完成，使用Verdi软件观察电路图和时序仿真，将仿真结果与使用matlab系统函数fft得出结果作对比，验证了FFT硬件处理器的功能可以实现。

关键词： 基-4按频率抽取FFT 流水线 定点化 基于存储器型结构

The design of a 1024-point FFT processor

Abstract

Low voltage power line carrier communication technology which utilizes low voltage power lines for data transmission, is widely used in automatic meter reading, lighting control, intelligent home control and so on. Orthogonal multi-carrier modulation (OFDM, Orthogonal Frequency Division) is an advanced modulation technology, and it has become a mainstream technology for a new generation of power line carrier communication. OFDM transmitter and receiver contain Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) and Fast Fourier transform (FFT), respectively. Therefore, FFT processor has become an important research focus. The design of a radix-4 1024-point FFT , reuses the same core module, not only to meet the receiving domain frequency domain transfer needs, but to meet the time-domain transmission frequency-domain transfer needs. Through the study of the FFT algorithm, the DIT radix-4 FFT algorithm is adopted. Through the analysis of the structure of FFT processor, a method of FFT processor based on the memory configuration is proposed. The data of FFT is in fixed-point binary format. The bit wide of RAM is 14, and the bit wide of ROM is 12. The design of FFT processor includes storage unit, butterfly computing unit, complex multiplier, address generation unit, control unit and so on. In Linux systems using VerilogHDL to write code, and using software Verdi to observe chematics and timing simulation, comparing the simulation results with the outcome of the matlab system function fft , the function of FFT processor can be achieved.

Keywords: Radix-4 Fixed-point FFT Memory based

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 论文选题背景及意义 1

1.2 FFT硬件处理器的研究现状 1

1.3论文结构安排 2

第二章 FFT及IFFT算法原理 4

2.1离散傅里叶变换 4

2.2 快速傅里叶变换 4

2.2.1 快速傅里叶变换原理 4

2.2.2 基-4按时间抽取FFT算法 5

2.2.3 基-4按频率抽取FFT算法 9

2.3 快速傅里叶反变换 11

2.4 FFT硬件结构实现方法 12

2.4.1 基于存储器型 12

2.4.2基于高速缓存存储器型结构 13

2.4.3 顺序结构 13

2.4.4 并行结构 13

2.4.5 并行迭代结构 14

2.4.6 阵列结构 14

第三章 FFT处理器的设计与实现 15

3.1 算法设计 15

3.2 接口定义 15

3.3 系统硬件结构总体设计方案 16

3.3.1 FFT处理器的结构 16

3.3.2 流水线设计 17

3.4 FFT算法定点化及位宽确定 18

3.4.1 数据格式 18

3.4.2 定点化设计流程 19

3.4.3 FFT算法定点化 19

3.4.4 RAM位宽确定 22

3.4.5 ROM的位宽确定 24

3.5 FFT处理器的单元模块设计 27

3.5.1 存储单元设计 27

3.5.2 复数乘法单元设计 28

3.5.3 蝶形运算单元 28

3.5.4 地址生成器设计 29

3.5.5 旋转因子表设计 30

3.5.6 路由网络单元设计 31

3.5.7 控制单元设计 31

3.6本章小结 32

第四章 FFT硬件处理器的仿真验证 33

4.1 FFT硬件处理器的仿真验证 33

4.1.1 信号生成 33

4.1.2 信号进行IFFT运算后的结果 33

4.1.3 信号进行FFT运算后的结果 33

4.1.4信号进行IFFT,FFT运算后的结果 33

4.2 本章小结 35

第五章 总结和展望 36

5.1 全文工作总结 36

5.2 研究展望 36

致谢 37

参考文献 38

2. 绪论

1.1 论文选题背景及意义

多媒体应用的快速发展涉及到越来越多的图形数据，视频和音频信息的传输。在现代通信系统中，使用正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division）系统能够以更高的数据速率发送和避免符号间干扰（ISI, Inter Symbol Interference）。在OFDM通信系统中，宽带被分割成许多正交子载波，其中数据以并行的方式传送。于是在N个子载波的系统中每个子载波的数据速率降低N倍。通过这种方法，信道被划分成许多窄带平坦衰落子信道。这使得OFDM系统比单载波通信系统中的多路径频率选择性衰落更有抵抗力。子载波彼此间完全独立且正交。子载波恰好被放置在彼此的调制频谱的零点。在一个子载波波形的峰值点，其他在零点位置的子载波的采样值为0，从而使被采样的子载波无符号间干扰。

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