LTE系統(tǒng)中FFT的研究與DSP實現(xiàn)

在數(shù)字信號處理中，離散傅里葉變換(DFT)是常用的變換方法，它在各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)中扮演著重要的角色。快速傅里葉變換(FFT)[1-2]是離散傅里葉變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的，兩者都是為了將信號變換到頻域并進行相應的頻譜分析。對于實時性要求很強的信號處理來說，運算速度對整個處理的影響是顯而易見的。因為FFT擁有很高的運算能力，使其在無線通信和數(shù)字通信、高速圖像處理、匹配濾波等領域得到極為廣泛的應用。
    LTE作為準4 G技術，以正交頻分復用OFDM和多輸入多輸出MIMO技術為基礎，下行采用正交頻分多址（OFDM）技術，上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA）技術，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mb/s和上行50 Mb/s的峰值速率[3]。
    頻域分析比時域分析更優(yōu)越，不僅簡單，且易于分析復雜信號[4]。在LTE系統(tǒng)中，F(xiàn)FT算法主要應用于基帶信號生成、信號的接收和檢測等，將時域信號轉移到頻域進行處理。

其中，x(n)為復數(shù)序列，W_N^kn和X(K)也為復數(shù)，因此每計算一個X(K)值，需要進行N次復數(shù)乘法運算和N-1次復數(shù)加法運算。而X(K)共有N個點，所以完成整個DFT運算需要進行N2次復數(shù)乘法和N(N-1)次復數(shù)加法運算，當N很大時，運算量相當可觀。然而對于實時性很強的信號處理來說，如滿足其要求，運算速度就太高了。利用旋轉因子W_N^kn的對稱性、周期性和可約性，可以使DFT運算中的有些項合并，將長序列的DFT分解為幾個短序列的DFT，從而大大減少運算次數(shù)。FFT算法可以分為時間抽取法和頻域抽取法兩大類。頻域抽取法的運算特點與時間抽取法的基本相同，不同之處是頻域抽取法的蝶形運算是先加后乘，時間抽取法的蝶形運算是先乘后加；頻域抽取的輸入序列是自然順序，輸出序列是倒序，而時間抽取法的輸入序列是倒序，輸出序列是自然順序。
    假設輸入序列x(n)長度為N=2M，M是正整數(shù)。如果不滿足這個條件，在序列尾部人為地加上若干零值點，使其達到這一要求。將序列x(n)按n的奇偶分解為兩個N/2點的子序列：
    
2 FFT算法的DSP實現(xiàn)
2.1 硬件
   TMS320C6000系列DSP是TI公司推向市場的高性能DSP，綜合了目前性價比高、功耗低等優(yōu)點。TMS320C64系列提高了時鐘頻率，在體系結構上采用了VelociTI甚長指令集VLIW（Very Long Instruction Word）結構[5]，芯片內(nèi)有8個獨立功能單元的內(nèi)核，每個周期可以并行執(zhí)行8條32 bit指令，最大峰值速度為4 800 MIPS，2組共64個32 bit通用寄存器，32 bit尋址范圍，支持8/16/32/40 bit的數(shù)據(jù)訪問，芯片內(nèi)集成大容量SRAM，最大可達8 Mb。由于出色的運算能力、高效的指令集、大范圍的尋址能力，使其特別適用于無線基站、測試儀表等對運算能力和存儲量要求高的應用場合。
2.2 FFT算法的DSP實現(xiàn)
    FFT算法作為一個子函數(shù)模塊且輸入序列長度不盡相同，所以，方案定義了輸入輸出變量及其調用格式。調用格式：Turbo_Code(int*，int，int，char*，char*，int*)，其中，int分別表示輸入序列的長度和FFT的級數(shù)；int*分別表示輸入序列的首地址和輸出序列的首地址；char*分別表示旋轉因子的余弦的首地址和旋轉因子的正弦的首地址。
    FFT算法具體實現(xiàn)流程如下：
    (1)時間抽取法的FFT中，每個蝶形的輸入、輸出數(shù)據(jù)節(jié)點在一條水平線上，所以每個蝶形的輸出數(shù)據(jù)可以立即存入原輸入數(shù)據(jù)所占用的存儲單元。這種原位計算可節(jié)省大量的內(nèi)存，并且理論上減少不同寄存器之間存取數(shù)據(jù)的時間。
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    使用C語言編寫主函數(shù)，匯編語言編寫FFT算法的實現(xiàn)函數(shù)。程序中假設輸入數(shù)據(jù)最大長度為1 024，由于DSP C6455可以直接存取處理32 bit，所以在內(nèi)存中定義了長度為8 192 bit作為存放輸出序列的內(nèi)存空間。為了提高運算精確度，輸入數(shù)的實部和虛部分別占用一個字，在程序中進行復數(shù)相乘操作是采用匯編指令MPYHI。內(nèi)存定義了長度為2 048 bit的Tempsequence作為存放倒序序列，并且建立了2張旋轉因子查找表，分別為Wr和Wi。
    外循環(huán)中，在每次內(nèi)循環(huán)之前從輸入比特序列中取出32 bit放入一個寄存器，作為一個內(nèi)循環(huán)的輸入，內(nèi)循環(huán)結束后，取下一個32 bit輸入比特更新這個寄存器。
    內(nèi)循環(huán)中，計算蝶形過程采用查表的方式。對于每一級，計算出需要的旋轉因子個數(shù)以及相同旋轉因子相距的間隔。計算蝶形過程時，首先提取出X(k)，根據(jù)相同旋轉因子間隔找到X(k+B)完成蝶形計算?？紤]到旋轉因子的對稱性，在內(nèi)存中存放旋轉因子時只存放一半，剩余的數(shù)據(jù)根據(jù)對稱性進行處理。圖2給出了FFT算法實現(xiàn)計算流程圖。

    按時間抽取法的FFT輸入序列是倒序，輸出序列是自然順序；按頻率抽取法的FFT輸入序列是自然順序，輸出序列是倒序的。不管采用哪種方法進行FFT計算，都需要倒序處理。倒序是整個FFT計算的重要部分，進行匯編程序時，按自然順序將輸入數(shù)據(jù)存入到存儲單元內(nèi)，通過變址運算，將自然順序的序列按時間抽取法要求進行倒位。
    重新排序之前，存儲單元Y中依次存放輸入數(shù)據(jù)，I表示當前輸入數(shù)據(jù)比特的順序數(shù)的十進制數(shù)值，I的取值從0到N-I；J表示當前倒序數(shù)的十進制數(shù)值。輸入序列的第一個和最后一個數(shù)的位置不需要倒序處理，完成倒序的外循環(huán)的次數(shù)為N-2。為了保證調換數(shù)據(jù)的正確性，需要檢測一下是否I<J，只有當I<J，才將Y(I)與Y(J)的內(nèi)容互換。形成倒序數(shù)J以后，就可以實現(xiàn)變址功能，按照自然順序存放在存儲單元的數(shù)據(jù)重新按照倒序排列。圖3給出了實現(xiàn)倒序的匯編流程圖。

3 性能分析與總結
    在DSP軟件實現(xiàn)中，通過指令并行，盡量優(yōu)化程序循環(huán)體，減少或消除程序中的’NOP’指令[6]。通過程序仿真運行，得到統(tǒng)計結果如表1所示。

    從表中可以看出，當運用TMS320C64×DSP芯片實現(xiàn)時，由于處理器的超高主頻一般為1 GHz，一個指令周期耗時為1 ns，其運算速率非常快，完全可以滿足實時性信號處理。因此，采用旋轉因子查表法的實現(xiàn)方案不僅簡化了程序實現(xiàn)方法，還減少了模塊程序代碼編寫，節(jié)約了系統(tǒng)存儲空間。
    本文提出了一種簡單有效的FFT算法實現(xiàn)方案，詳細介紹了算法在DSP的實現(xiàn)方法，并在TMS320C64x芯片上加以實現(xiàn)。程序運行結果表明，該算法能夠滿足TD-LTE系統(tǒng)的需求，具有可行性和高效性。該方案已應用于LTE-TDD無線綜合測試儀表的開發(fā)中。
參考文獻
[1] 丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[2] 何方白，張德民.數(shù)字信號處理[M].北京：高等教育出版社，2009.
[3] 3GPP TS 36.211 v9.0.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA) physical channels and modulation (Release 9)[S].2009-12.
[4] SAIDI A.Decimation-in-time-frequency FFT algorithm[M]. Manuscript, To be published.1993.
[5] Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x/C64x+DSP CPU and instruction set referenceguide[EB/OL].Http://www.ti.com.cn,2008.
[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP編程工具與指南[M].田黎育，何佩琨，朱夢宇，譯.北京：清華大學出版社，2006.