块浮点FFT处理器系统的设计

论文摘要

随着集成电路技术的迅猛发展,电子设计自动化（Electronics Design Automation）成为重要的设计方法,已经广泛应用于数字信号处理系统等许多领域。而且,近年来门电路数量和系统复杂性以指数倍增加,产品设计中的功能验证也日益重要。现场可编程门阵列是一种半定制电路,也是一种新型可编程器。随着它的广泛应用和快速发展,电子系统设计方法不断创新。离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transformation）是数字信号分析与处理的重要变换工具,而FFT（（Fast Fourier Transformation））是DFT的一种快速算法,是数字信号处理的核心技术,广泛应用于语音识别、图像处理、雷达系统、频谱分析等领域。不同的应用场合,需要不同性能的FFT处理器,特别是针对下一代以FFT为核心技术的移动通信（4G）出现,使FFT处理器的研究具有重要的现实意义。本文研究基于FPGA的大规模可编程逻辑器件的块浮点FFT的实现。首先阐述了FFT的理论基础,根据FFT算法的特点,对64点FFT硬件电路结构及其工作原理进行了研究。详尽分析了FFT的具体实现,用DIT还是用DIF,而且比较了定点、浮点、块浮点的优劣,阐述了块浮点的相关运算,最终采用16位块浮点进行数据运算。采用串行数据输入输出方式,在FPGA内部运用并行计算,整体架构采用同步时序设计。提出一种新的地址映射算法,简单可行。利用旋转因子和乒乓RAM结构的特点,使FFT的运行周期大为缩短。本文以QuartusII 8.0,ModelSim-Altera 6.1g和ModelSim SE 6.2b为软件平台,用Verilog语言实现64点块浮点结构,并以FPGA芯片Cyclone II EP2C35F484C8为硬件平台,整体设计顺利通过功能仿真和时序仿真。仿真结果表明其计算结果达到了一定的精度,运算速度可以满足一般实时信号处理的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 FFT 算法研究现状
• 1.3 FFT 处理器的研究现状
• 1.4 FPGA 发展现状
• 1.5 FPGA 设计流程
• 1.6 本论文的研究内容
• 第二章 FFT 算法理论研究
• 2.1 离散傅里叶变换
• 2.2 快速傅里叶变换
• 2.3 算法选取
• 第三章 定点、块浮点算法的详细介绍
• 3.1 数值表示介绍
• 3.2 定点数
• 3.3 浮点数
• 3.4 块浮点
• 第四章 FFT 蝶形块浮点算法实现
• 4.1 32 位块浮点实现
• 4.2 16 位块浮点引入
• 4.3 16 位块浮点蝶形实现
• 4.4 仿真对比
• 4.5 精度分析
• 第五章 FFT 整体设计
• 5.1 输入输出单元
• 5.2 RAM 单元
• 5.3 蝶形处理单元
• 5.4 控制单元
• 5.5 地址产生单元
• 第六章 静态时序分析与仿真验证
• 6.1 验证平台简介
• 6.2 功能仿真
• 6.3 静态时序分析
• 6.4 综合结果
• 6.5 板级调试
• 第七章 结论
• 参考文献
• 硕士期间完成的论文
• 致谢