基于FPGA的FFT处理器的设计与优化

论文摘要

随着电子技术和集成电路技术的飞速发展,数字信号处理已经广泛地应用于通信、信号处理、生物医学以及自动控制等领域中。离散傅立叶变换（DFT）作为数字信号处理中的基本变换,有着广泛的应用。特别是快速傅立叶变换（FFT）算法的提出减少了N极大时DFT的运算量,使得数字信号处理的实现和应用变得更加容易。经过四十多年的发展,FFT算法理论已经趋于成熟,但是其具体实现方法依然有待深入研究。面向高速、大容量数据流的FFT实时处理可以通过数据并行处理或者多级流水线结构来实现,特别是流水线结构使得FFT处理器可以通过对模块级数的控制更容易的实现不同点数的FFT计算。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件,由于其具有高集成度、高速、可编程等优点,大大推动了数字系统设计的单片化和自动化,缩短了单片数字系统的设计周期,提高了设计的灵活性和可靠性,在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。因此FPGA非常适合实现FFT算法。本文在分析和比较了各种FFT算法后,选择了基-2时域抽取算法作为FFT处理器的实现算法,采用了一种高速、流水线结构的FFT处理器架构,并使用VHDL语言设计了一种切实可行的基于FPGA的FFT处理器的实现方法与硬件结构。最后采用QuartusII及Modelsim进行了FFT处理器仿真,结果表明FFT输出结果与MATLAB模型输出一致,在FPGA环境下仿真波形误差较小,提高了运算速度,完全满足了高速处理的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关技术发展现状
• 1.2.1 FFT处理器的发展现状
• 1.2.2 FPGA发展现状
• 1.3 课题的目的和意义
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 FPGA原理
• 2.1 FPGA基本结构
• 2.1.1 基于乘积项（Product-Term）的PLD 结构
• 2.1.2 乘积项结构PLD 的逻辑实现原理
• 2.1.3 查找表（Look-Up-Table）的原理与结构
• 2.1.4 基于查找表（LUT）的FPGA 的结构
• 2.1.5 查找表结构的FPGA 逻辑实现原理
• 2.2 开发流程和开发软件
• 2.3 本章小结
• 第3章 FFT算法及硬件结构的选择
• 3.1 离散傅立叶变换
• 3.2 快速傅立叶变换原理
• 3.2.1 基-2 FFT算法
• 3.2.2 基-4 FFT算法
• 3.2.3 算法的选择
• 3.3 FFT硬件实现结构
• 3.4 本章小结
• 第4章 FFT处理器的FPGA设计与优化
• 4.1 FFT处理器总体设计
• 4.2 蝶形运算单元设计
• 4.2.1 乘法器设计
• 4.2.2 蝶形运算单元流水线设计
• 4.2.3 蝶形运算单元实现
• 4.3 块浮点单元设计
• 4.3.1 块浮点结构原理
• 4.3.2 块浮点结构实现
• 4.3.3 误差分析
• 4.4 ROM模块设计
• 4.5 双口RAM模块设计
• RAM_DP'>4.5.1 LPM_RAM_DP
• 4.5.2 双口RAM的乒乓结构
• 4.6 地址产生单元设计
• 4.6.1 蝶形运算数据的地址设计
• 4.6.2 倒序输出地址设计
• 4.7 时序控制单元设计
• 4.8 NIOS处理器的FFT系统实现
• 4.8.1 FFT算法的硬件实现
• 4.8.2 定制Nios核的FFT指令
• 4.9 FFT系统的硬件平台
• 4.10 本章小结
• 第5章 FFT系统仿真测试及分析
• 5.1 资源利用情况
• 5.2 速度运行情况
• 5.3 正弦信号仿真测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢