乘法器复用的多路FFT处理器研究与设计

论文摘要

随着微电子技术的快速发展,复杂的数字信号处理技术正被应用于各个领域,特别是在通信技术中应用越来越广泛,FFT算法已成为通信中不可或缺的一环。近些年,通信技术对高速和实时性要求越来越高,为了满足通信口益增长的通信需求,OFDM和MIMO融合的趋势已是大势所趋,OFDM技术可以提高频谱利用率,MIMO技术可以成倍提高系统容量。由于两者的融合,关于FFT的研究也逐渐由单路FFT向可配置的多路FFT方向发展,目前很多通信协议中都已应用到可配置的多路FFT,如LTE协议。本文对FFT处理器进行了详细研究,研究了当前各种重要算法和结构。研究者们对于FFT算法的研究已很成熟,很难取得突破,所以本文从结构和实现角度去研究FFT处理器。本文结合算法研究不同FFT处理器结构的特点,重点研究了流水线结构：MDC和SDF结构。为了满足低面积的应用需求,选择以SDF为基本结构进行优化,设计了两种低面积多路FFT处理器结构,简称为结构A和结构B。结构A基于基-24算法,结构B基于基-8和基-16算法,虽然算法不同,但都是通过数据流控制策略实现多路FFT处理器中常系数乘法器的复用,提高乘法器利用率,减少乘法器的使用,以达到减少而积和功耗的效果。文中对结构A和结构B以及其他典型结构进行了比较。本文选择结构B为基本结构,对LTE中的可配置FFT处理器进行了设计,根据LTE中的协议,选择合适的算法。在具体设计LTE中可配置FFT处理器时,将整体设计分为数据流和控制流两部分,有利于实现和调试,数据流工作在30.72MHz,将主要的存储器部分工作在122.88 MHz的同步时钟频率上。以保证功能和降低面积为目标,合理拆分合并存储器,选择合适类型的RAM,提高RAM的利用率,达到复用RAM和降低芯片而积的日的。旋转因子采用1/8域表示,提高旋转因子的利用率,减少ROM的使用。最终设计了LTE中的低而积可配置FFT处理器,并且该处理器具有很好的可配置性,不仅可以根据LTE协议选择合适长度的FFT,还从信噪比和功耗角度向外部提供了可配置性。本文最后搭建FPGA测试平台,对设计的LTE中可配置FFT处理器进行了实现、验证与测试,最终实现的FFT处理器在Xilinx开发板上测试通过。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 数字信号处理与通信概述
• 1.2 FFT算法硬件实现方法
• 1.3 论文研究成果
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 FFT算法介绍
• 2.1 简介
• 2.2 FFT算法的提出
• 2.3 基-2、基-4 DIF FFT算法
• 2.4 混合基FFT算法
• 2、基-2³ FFT算法'>2.5 基-2²、基-2³FFT算法
• 2.6 分裂基FFT算法
• 2.7 几种不同基的FFT运算量比较
• 2.8 小结
• 第三章 FFT处理器的硬件结构
• 3.1 基于存储器的FFT处理器结构
• 3.1.1 单存储器结构（single memoy）
• 3.1.2 双存储器结构（dual memory）
• 3.1.3 缓存存储器结构（cache-memory）
• 3.2 基于流水线的FFT处理器结构
• 3.2.1 MDC
• 3.2.2 SDF
• 3.2.3 不同流水线结构硬件比较
• 3.3 硬件中数据表示
• 3.3.1 浮点数
• 3.3.2 定点数
• 3.3.3 字长
• 3.4 小结
• 第四章 低面积多路FFT处理器结构设计
• 4.1 低面积多路FFT处理器结构A
• 4DIF FFT算法'>4.1.1 基-2⁴DIF FFT算法
• 4.1.2 低面积多路FFT处理器结构A
• 4.1.3 ASIC实例实现
• 4.2 低面积多路FFT处理器结构B
• 4.2.1 基-8算法
• 4.2.2 基-16算法
• 4.2.3 低面积多路FFT处理器结构B
• 4.3 比较
• 4.4 小结
• 第五章 LTE中FFT处理器的设计
• 5.1 总体架构
• 5.2 控制模块
• 5.3 分频时钟模块
• 5.4 模块1
• 5.4.1 可变长基-2/4/8/16蝶形运算
• 5.4.2 常系数乘法器
• 5.4.3 存储器
• 5.4.4 rom结构
• 5.5 模块2
• 5.5.1 基-16结构
• 5.5.2 存储器
• 5.5.3 Rom结构
• 5.6 模块3
• 5.7 蝶形运算内部数据处理方式
• 5.8 小结
• 第六章 实现、验证与测试
• 6.1 RTL实现与验证
• 6.2 硬件测试系统
• 6.2.1 软件部分
• 6.2.2 硬件部分
• 6.3 FPGA实现
• 6.3.1 建立工程
• 6.3.2 添加代码
• 6.3.3 建立IP模块
• 6.3.4 标注引脚
• 6.3.5 编译、综合、布局布线
• 6.3.6 后仿与下载
• 6.4 测试
• 6.5 ASIC实现
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 硕士学习期间发表的学术成果
• 致谢