0引言

在FPGA實驗中，主要是用FPGA來實現(xiàn)FFT,使其完 成對信號的頻譜分析。流水線結(jié)構(gòu)FFT的設(shè)計主要是蝶形單 元的設(shè)計，通過旋轉(zhuǎn)參數(shù)的生成，將運算結(jié)果寫入地址并完 成輸出。

1實驗原理及步驟

1.1 Quartus H開發(fā)環(huán)境

Quartus H是Altera公司提供的FPGA/CPLD集成開發(fā)軟 件，在Quartus 口上可以完成設(shè)計輸入、HDL綜合、布新布局(適 配)、仿真和選擇以及硬件測試等流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu) 無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，使設(shè)計者能方便地進行設(shè)計輸入、開始處 理和器件編程。Quartus 口具備仿真功能，同時支持第三方的 仿真工具(如 ModelSin)。此外，Quartus 口與 Matlab 和 DSP Builder結(jié)合，可用進行基于FPAG的DSP系統(tǒng)開發(fā)，是DSP 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的工具EDA工具。

Quartus 口設(shè)計與開發(fā)的流程如圖1所示。

圖1 QuartusII設(shè)計與開發(fā)的流程

1.2快速傅里葉變換(FFT)

FFT是DFT的快速算法。設(shè)離散的有限長時間序列為x(n),0 < n < N— 1，則其離散的傅里葉變換為：

其中：(n)為時域點；X(k)為頻域點Wn為旋轉(zhuǎn)因子；(n)、 X(k)、Wn都是復數(shù)。完成整個DFT運算共需要N次復數(shù)乘 法以及N(N-1)次復數(shù)加法運算。當N很大時，運算量很大， 對于實時信號處理，要求CPU運算速度很高，難以工程實現(xiàn)。 因此，出現(xiàn)了快速傅里葉變換(FFT)算法。FFT算法的基本 思想是利用旋轉(zhuǎn)因子Wn的周期性、對稱性、特殊性以及周期 N的可互換性，將長度為N點序列的DFT運算逐次分級為較 短序列的DFT運算，并將相同項合并，因為DFT的運算量與 N2成正比，當N減小時，就大大減少了運算量，提高了運算 效率。N=2n個點的DFT復數(shù)乘法量由N次降為(N/2) logzN 次，復數(shù)加法由N(N-1)次降為(N/2) log2N次。

FFT算法種類很多，基本上可分為兩大類：一類是針對 N等于2的整數(shù)次冪的算法，如基2算法、基4算法和分裂 基算法等；另一類是針對N不等于2的整數(shù)次冪的算法，以 Winograd為代表，它們有重要的理論價值，但是不適于硬件 實現(xiàn)?；?算法結(jié)構(gòu)簡單，但運算量大?；?算法相對于基 2算法更為復雜，但是計算量減少了。FFT算法按分解方式的 不同又可以分為時域抽取算法(decimation in time，DIT)和 頻域抽取算法(decimation in frequency，DIF)兩種。這兩種 算法在本質(zhì)上都是一種基于標號分解的算法，在運算量和復 雜性等方面完全一樣?？紤]到本設(shè)計FFT運算的點數(shù)不是太 多，故選用了時域抽取基2算法(DIT)。

1.3按時間抽取的基2-FFT算法(DIT-基2-FFT)原理

FFT運算的基本單元是蝶形運算單元，基2蝶形運算符 號如圖2所示。設(shè)蝶形運算輸入數(shù)據(jù)為A=Ap+Aqj，B=Bp+Bqj，

FFT算法由多級蝶形運算構(gòu)成，具體運算流圖也有多種 形式。本設(shè)計選用了輸入倒序、輸出順序的運算流圖，圖3所 示為N=8點時的DIT-FFT運算流圖。這種運算流圖是同址運 算，其優(yōu)點是：在同一級運算中，每個蝶形的兩個輸入數(shù)據(jù)只 對計算本蝶形有用，而且蝶形的輸入輸出數(shù)據(jù)節(jié)點又同在一條 水平線上，這就意味著計算完一個蝶形運算后，所得輸出數(shù) 據(jù)可以立即存入元出入數(shù)據(jù)所占用的存儲器。因此，在硬件實 現(xiàn)時可以節(jié)省存儲單元。

一個長度為 N 的序列 x（n），滿足 N=2M，M 為整數(shù)。那么此序列 x（n）的 FFT 運算流圖由 M 級蝶形運算構(gòu)成，每一級有 N/2 個蝶形運算，第 L 級蝶形運算中使用旋轉(zhuǎn)因子的個數(shù)為 2L，L=0，1，2，…，M-1。64 點 FFT 運算，分 6 級，每級有 32 個蝶形運算。

1.4 FFT處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計

FFT 算 法 的 FPGA 硬 件 實 現(xiàn) 在 Altera 公 司 的MAX+plusⅡ系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)完成，選用基于查找表結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌存儲器的 APEX20 系列 FPGA 器件。圖 4 為 FFT 處理器的結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計采用單元結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，整個處理器由數(shù)據(jù)接收單元、運算單元、旋轉(zhuǎn)因子存儲單元、地址產(chǎn)生單元和中央控制單元 5 個單元組成，各單元在中央控制單元的控制下協(xié)調(diào)工作。其中，內(nèi)部接收單元采用乒乓 RAM 結(jié)構(gòu)，擴大了數(shù)據(jù)吞吐量，計算單元采用流水與并行結(jié)合的結(jié)構(gòu)，加快了運算速。

1.5 中央控制單元

中央控制單元是整個系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是控制數(shù)據(jù)流向，協(xié)調(diào)各單元之間的運行。中央控制單元根據(jù)系統(tǒng)時鐘確定當前蝶型運算所處的級數(shù)m和個數(shù)n，并把m、n傳送給地址產(chǎn)生單元。地址產(chǎn)生單元產(chǎn)生蝶型運算兩個輸入數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)因子的地址，并把地址傳送給運算 RAM 和旋轉(zhuǎn)因子存儲器。在中央控制單元讀使能信號控制下兩個輸入數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)因子被讀出。讀出的數(shù)據(jù)進行必要的延遲和定標處理后，送給運算單元。經(jīng)過蝶型運算后，運算結(jié)果按原址寫入RAM。

1.6 數(shù)據(jù)接收單元

數(shù)據(jù)接收單元主要功能是按幀接收外部數(shù)據(jù)，并將每幀數(shù)據(jù)按碼位倒置的順序乒乓存入接收 RAM1 或接收 RAM2。中央控制單元交替的對接收 RAM 中的數(shù)據(jù)進行處理，當中央控制單元將接收 RAM1中的數(shù)據(jù)取出，經(jīng)過蝶型運算，結(jié)果存入運算 RAM1 的同時上一幀數(shù)據(jù)的 FFT 運算結(jié)果從運算 RAM2 取出。接收 RAM 用 FPGA 的片上雙口 RAM 實現(xiàn)，接收單元控制寫端口，中心控制單元控制讀端口。

1.7 運算單元

運算單元由蝶型運算器和運算 RAM 組成。蝶型運算器完成對輸入數(shù)據(jù)的蝶型運算，運算 RAM 作為 FFT 的中間數(shù)據(jù)緩存。蝶型運算器輸入數(shù)據(jù)為 A=Ap+Aqj，B=Bp+Bqj，旋轉(zhuǎn)因子 WrN=Wp+Wqj，蝶型運算輸出如式（3）所示。根據(jù)式（3），蝶型運算器可由一個復數(shù)乘法和兩個復數(shù)加（減）法器組成。為了提高運算速度采用并行運算，用四個實數(shù)乘法器、三個實數(shù)加法器、三個實數(shù)減法器組成。蝶型運算器實現(xiàn)框圖如圖 5 所示。蝶型運算各個模塊利用 MAX+plusⅡ開發(fā)軟件中所提供的宏單元生成。

運算 RAM1 和運算 RAM2 作為 FFT 的中間數(shù)據(jù)緩存。兩塊 RAM 交替作為數(shù)據(jù)讀出和運算結(jié)果寫入單元，直到第 6 級蝶型運算完成。

1.8 旋轉(zhuǎn)因子存儲單元

旋轉(zhuǎn)因子存儲單元，存儲 FFT 運算所需要的旋轉(zhuǎn)因子WrN，WrN=e（-j2π/N）r（r=0，1， …，N/2 － 1）。 旋 轉(zhuǎn) 因 子 先 在Matlab 中分實部和虛部產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化成 16 位定點數(shù)，并將結(jié)果保存成 hex 文件格式。利用 MAX+plusII 軟件提供的 ROM 宏模塊"lpm_rom”產(chǎn)生兩個(N/2) X16 b的ROM,并分別用 旋轉(zhuǎn)因子實部和虛部對應(yīng)的hex文件對兩個ROM初始化，這 樣旋轉(zhuǎn)因子的值就固化在了 FPGA中。對應(yīng)不同級的蝶型運算, 地址產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的地址送給ROM將旋轉(zhuǎn)因子讀出。

1.9地址產(chǎn)生單元

地址產(chǎn)生單元產(chǎn)生蝶型運算兩個輸入數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)因子的 地址。實現(xiàn)的方法是根據(jù)地址產(chǎn)生的算法,通過邏輯運算產(chǎn)生。 前面已介紹本設(shè)計FFT實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為同址運算，即蝶型運算的 結(jié)果仍然寫回輸入數(shù)據(jù)讀出單元。因此，將讀數(shù)據(jù)地址延遲 若干時鐘周期，就可作為運算結(jié)果寫入地址。對于N點FFT 運算，用 m G (0 A log2N— 1), n G (0 A N/2— 1)表示第 m 級的第n個蝶型運算。addr_4, addr_B (addr_』＜addr_B)分 別表示數(shù)據(jù)AB的入口地址。隨著級數(shù)m不同，每一級蝶型 運算可分為若干組(0,…，n/2m+1— 1,N/2— 1)，每組2m個 蝶型運算，兩個輸入數(shù)據(jù)共占用2m+1個地址。則m級的第n 個蝶型運算位置為第n/2m組的第n%2m個。因此地址應(yīng)為：

式中：(n/2m) X2m+1描述為將n的低m位清零，再左移 一位。n%2m描述為取n的低m位。蝶型運算所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因 子存儲器入口地址設(shè)為addr_w,對于N點FFT共需要N/2個 旋轉(zhuǎn)因子，W N = e(-j2"/N)r(r=0, 1,…，N/2 — 1)根據(jù)第 m級 蝶型運算所需旋轉(zhuǎn)因子的排列規(guī)律，旋轉(zhuǎn)因子存儲器入口地 址應(yīng)為：

64點FFT旋轉(zhuǎn)因子有32個,共需要5位表示地址。第m級、 第n個蝶型運算的旋轉(zhuǎn)因子地址可由邏輯移位的方法快速得 到。將n(5位)左移位(5-m),低位補0,得到了在(0?31) 中的 addr_w。

1.10塊浮點單元

塊浮點單元的實現(xiàn)思路是每級蝶型運算結(jié)果動態(tài)擴展但 最大擴展2位。塊浮點單元對蝶型運算結(jié)果的高3位進行檢測， 判斷當前結(jié)果動態(tài)范圍擴展位數(shù)，記錄當前級的最大擴展位 數(shù)。下一級蝶型運算時，根據(jù)前一級的最大擴展位數(shù)，對讀 出的數(shù)據(jù)進行定標，選取數(shù)據(jù)送入蝶型運算器。塊浮點單元 將每一級運算結(jié)果動態(tài)范圍擴展位數(shù)進行累加，和FFT運算 結(jié)果一同輸出。

1.11 FFT處理器功能仿真與設(shè)計驗證

仿真結(jié)果如圖6所示：

由仿真結(jié)果可以看出，該FFT處理器為串行流水線結(jié)構(gòu), 各級運算模塊沒有實現(xiàn)并行運行。

圖6時序仿真圖

2實驗情況記錄

為驗證仿真結(jié)果的正確性，采用上述方法實現(xiàn)256點 FFT處理器，同時為提高精度將輸入數(shù)據(jù)的實部和虛部采用 16位二進制數(shù)。對函數(shù)：

以120 MHz的頻率進行抽樣，取256點作為FFT處理器 輸入數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，并將其輸出結(jié)果與Matlab結(jié) 果進行比較，結(jié)果如圖7?圖9所示。

圖7抽樣函數(shù)及Matlab計算頻譜

圖8 FPGA計算頻譜

圖9各采樣點相對誤差

3結(jié)語

由于處理器采用定點運算，在進行乘法和加法運算時不 可避免地造成一定誤差，尤其是在功率譜接近零值的這些點 上，相對誤差較大，但是在我們更為關(guān)心的功率譜幅值點上, 相對誤差僅為1%上下，完全可以滿足大多數(shù)應(yīng)用對于運算精度的要求。

20211223_61c34fb10fe36__基于FFT譜分析測頻算法的FPGA實現(xiàn)