基于FPGA的FFT算法硬件實(shí)現(xiàn)

FFT(快速傅里葉變換)是一種非常重要的算法，在信號(hào)處理、圖像處理、生物信息學(xué)、計(jì)算物理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在高速數(shù)字信號(hào)處理中，F(xiàn)FT的處理速度往往是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵所在。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)是一種具有大規(guī)?？删幊涕T(mén)陣列的器件，不僅具有ASIC(專用集成電路)快速的特點(diǎn)，更具有很好的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的靈活性。基于FPGA的設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求，在市
場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，F(xiàn)PGA為高速FFT算法的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

1 FFT算法的硬件實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)框圖
    本設(shè)計(jì)利用流水線技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)框圖，如圖1所示。其中，地址產(chǎn)生單元生成RAM讀寫(xiě)地址，寫(xiě)使能信號(hào)以及相關(guān)模塊的啟動(dòng)、控制信號(hào)，是系統(tǒng)的控制核心；4點(diǎn)蝶形運(yùn)算單元的最后一級(jí)輸出不是順序的；旋轉(zhuǎn)因子產(chǎn)生單元生成復(fù)乘運(yùn)算中的旋轉(zhuǎn)因子的角度數(shù)據(jù)；旋轉(zhuǎn)因子ROM中預(yù)置了每一級(jí)運(yùn)算中所需的旋轉(zhuǎn)因子。

    在FPGA設(shè)計(jì)中，為提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而將指令分為幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同的單元完成，這樣，每一級(jí)的電路結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，從而減少輸入到輸出間的電路延時(shí)，在較小的時(shí)鐘周期內(nèi)就能夠完成這一級(jí)的電路功能。在下一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，將前一級(jí)的結(jié)果鎖存為該級(jí)電路的輸入，這樣逐級(jí)鎖存，由最后一級(jí)完成最終結(jié)果的輸出。也就是說(shuō)，流水線技術(shù)是將待處理的任務(wù)分解為相互有關(guān)而又相互
獨(dú)立、可以順序執(zhí)行的子任務(wù)來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中，4點(diǎn)蝶形運(yùn)算單元、旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘模塊以及最后的精度截取模塊采用流水線技術(shù)來(lái)處理。
1．2 基4蝶形運(yùn)算算法原理
   
    式(1)為基4蝶形運(yùn)算單元的一般表達(dá)式，其中，，N為FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，本設(shè)計(jì)中為1 024，p為旋轉(zhuǎn)因子W的相位角，其規(guī)律將在1.4節(jié)討論。X(0)、X(1)、X(2)、X(3)為原始數(shù)據(jù)，順序輸入RAM后蝶形倒序輸出，與旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘再進(jìn)行4點(diǎn)蝶形運(yùn)算，而X1(0)、X1(1)、X1(2)、X1(3)即為第1級(jí)蝶形運(yùn)算的結(jié)果。此時(shí)RAM存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)清空，將第1級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)果再存回RAM中，按照一定的地址輸出后，與第2級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘、4點(diǎn)蝶形運(yùn)算，得到第2級(jí)蝶形運(yùn)算結(jié)果，依此類推。由于蝶形運(yùn)算為同址操作，所以第2級(jí)的RAM寫(xiě)地址即為第一級(jí)的RAM讀地址，每一級(jí)的RAM讀地址規(guī)律將在1．3節(jié)中討論。
    1024點(diǎn)的基4-FFT共需要5級(jí)蝶形運(yùn)算，每級(jí)需要計(jì)算256個(gè)蝶形，其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

    考慮到第一級(jí)蝶形運(yùn)算不需要旋轉(zhuǎn)因子，所以第一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘模塊可以省略，但本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)需要循環(huán)利用，一般情況下，可以對(duì)第一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行×1運(yùn)算，再進(jìn)行4點(diǎn)蝶形運(yùn)算。不過(guò)，考慮到我們并不關(guān)心每一級(jí)蝶形運(yùn)算后的結(jié)果，本文提出了一種蝶形運(yùn)算的新結(jié)構(gòu)：即先進(jìn)行前一級(jí)的4點(diǎn)蝶形運(yùn)算，再進(jìn)行本級(jí)的與旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘運(yùn)算，如圖3所示。

    可以看出，圖3減少了一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘模塊，不但節(jié)約了一次乘法運(yùn)算時(shí)間，也省略了第一級(jí)旋轉(zhuǎn)因子，更好地利用了硬件結(jié)構(gòu)。
    首先，在QuartusⅡ環(huán)境中對(duì)4點(diǎn)蝶形運(yùn)算時(shí)序仿真，采用流水線設(shè)計(jì)，連續(xù)輸入連續(xù)輸出，仿真結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可以看出，輸出比輸入延時(shí)6個(gè)時(shí)鐘，這在系統(tǒng)的控制核心地址產(chǎn)生單元的設(shè)計(jì)中需要考慮到。
1．3 地址產(chǎn)生與時(shí)序控制
    對(duì)于1 024．點(diǎn)基4 FFT運(yùn)算，需要5級(jí)蝶形運(yùn)算，每一級(jí)運(yùn)算都要有寫(xiě)地址和讀地址，根據(jù)FFT同址運(yùn)算的特點(diǎn)可知，當(dāng)前的寫(xiě)地址即是上一級(jí)蝶形運(yùn)算的讀地址。因此完成FFT運(yùn)算需要設(shè)計(jì)6級(jí)RAM地址。其中第1級(jí)的寫(xiě)地址即是數(shù)據(jù)輸入的順序地址，不予討論。最后一級(jí)讀地址為數(shù)據(jù)正序輸出所需的地址。其余4級(jí)為1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的FFT蝶形運(yùn)算。
    第一級(jí)讀取節(jié)點(diǎn)地址的順序應(yīng)該是：(0，256，512．768)，(1，257，513，769)，……，(255，511．767，1 023)。易觀察其讀地址的規(guī)律如下：設(shè)讀取次序的二進(jìn)制編碼為bit[9：0]；則讀地址的二進(jìn)制編碼為{bit[1：O]，bit[9：2]}，并且依次可以推出第2、3、4級(jí)的讀地址二進(jìn)制編碼分別為{bit[9：8]，bit[1：0]，bit[7：2]}，{bit[9：6]，bit[1：0]，bit[5：2]}、{bit[9：4]，bit[1：0]，bit[3：2]}，而最后一級(jí)輸出數(shù)據(jù)的地址二進(jìn)制編碼則為：{bit[1：0]，bit[3：2]，bit[5：4]，bit[7：6]，bit[9：8]}。圖5給出了第1級(jí)讀地址和第2級(jí)讀地址的部分?jǐn)?shù)據(jù)，也可以看出第2級(jí)的寫(xiě)地址即是第1級(jí)的讀地址。

    圖1中的地址產(chǎn)生單元作為系統(tǒng)的控制核心，不僅要生成每一級(jí)的RAM讀寫(xiě)地址，還要產(chǎn)生RAM寫(xiě)使能信號(hào)、輸出有效信號(hào)以及4點(diǎn)蝶形運(yùn)算單元和旋轉(zhuǎn)因子產(chǎn)生單元的啟動(dòng)信號(hào)，由于時(shí)序電路還需要考慮器件延時(shí)，例如上文提到的4點(diǎn)蝶形運(yùn)算輸出比輸入延時(shí)6個(gè)時(shí)鐘，以及RAM存取數(shù)據(jù)輸出比輸入延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘，這些都需要在控制核心中考慮到。
1．4 旋轉(zhuǎn)因子產(chǎn)生
    對(duì)于1 024點(diǎn)FFT蝶形運(yùn)算，需要1 024個(gè)旋轉(zhuǎn)角度(即2π的1 024等份)，其中第一級(jí)不需要復(fù)乘運(yùn)算，第6級(jí)只是將數(shù)據(jù)進(jìn)行整序沒(méi)有運(yùn)算單元，其他4級(jí)都需要旋轉(zhuǎn)因子。本設(shè)計(jì)采用將旋轉(zhuǎn)因子預(yù)置于ROM中，通過(guò)查找表方法得出每一級(jí)運(yùn)算的所需的旋轉(zhuǎn)因子。根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子的可約性，后幾級(jí)運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子都可以在第一級(jí)運(yùn)算的旋轉(zhuǎn)因子中找到，因此無(wú)需另外存儲(chǔ)。旋轉(zhuǎn)因子在ROM中的存儲(chǔ)規(guī)律是：旋轉(zhuǎn)因子相位角p處存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)因子W=*****。定義一個(gè)10 bit的計(jì)數(shù)器count[9：0]，則第2、3、4、5級(jí)ROM的相位角規(guī)律按照Verilog語(yǔ)法可表示為

    為了節(jié)省資源，本設(shè)計(jì)只在ROM單元中存儲(chǔ)了前256個(gè)旋轉(zhuǎn)因子數(shù)據(jù)，即第一象限因子其余象限的因子可通過(guò)象限轉(zhuǎn)換后得到，這樣就大大節(jié)省了存儲(chǔ)單元的硬件資源。圖6為旋轉(zhuǎn)因子產(chǎn)生單元在QuartusⅡ環(huán)境中仿真結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)仿真結(jié)果
    輸入數(shù)據(jù)為s=1 024×cos(2π×f_in×t)，其中f_in=50 M，F(xiàn)s=80 MHz，n=40，t=0：1／Fs：(n-1)／Fs，利用QuartusⅡ軟件對(duì)系統(tǒng)在100 MHz的時(shí)鐘環(huán)境下進(jìn)行了仿真，將仿真輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換成tbl文件并利用Matlab軟件讀取后，得到如圖7所示的頻譜數(shù)據(jù)圖(實(shí)部數(shù)據(jù)部分)。

    圖8所示為Maflab自帶FFT函數(shù)對(duì)于輸入相同1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)的FFT計(jì)算結(jié)果(同樣為實(shí)部數(shù)據(jù)部分)。
    通過(guò)比較可以看到，本設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果與Matlab的仿真結(jié)果基本一致，可以正確高效地計(jì)算出1 024點(diǎn)FFT數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)全部由Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，完成了一種基于FPGA的1 024點(diǎn)16位FFT算法，共需要5級(jí)運(yùn)算，每級(jí)需要計(jì)算256個(gè)蝶形。提出了將蝶形運(yùn)算先進(jìn)行前一級(jí)的蝶形加減運(yùn)算，再進(jìn)行本級(jí)的與旋轉(zhuǎn)因子復(fù)乘運(yùn)算的結(jié)構(gòu)。由前所述，平均每個(gè)蝶形運(yùn)算需要4個(gè)時(shí)鐘周期，所以理論上完成1 024點(diǎn)FFT的總時(shí)鐘周期為N=256×4×5=5 120；假設(shè)使用的時(shí)鐘為100MHz，那么將耗時(shí)T=5 120×(1／100)=51．2μs，這與仿真結(jié)果51．32μs基本一致。