全数字OFDM收信机中FFT处理器设计

论文摘要

随着电子技术的高速发展,快速傅立叶变换（FFT,Fast Fourier Transform）作为数字信号处理的核心技术之一,被广泛应用于各种不同领域,如多媒体、通信和图像处理等领域中。正交频分复用（OFDM）技术是一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术,成为第四代移动通信的首选技术。在OFDM收信机中,FFT被用来对各个子信道做正交调制。FFT是OFDM系统中硬件实现较为复杂和困难的一部分,其处理速度及硬件面积等性能对整个OFDM系统而言都是至关重要的。因此全数字OFDM收信机中FFT处理器设计是当前数字信号处理及移动通信技术研究的热点问题。近年来超大规模集成电路和DSP技术的发展,也为全数字OFDM收信机中FFT处理器的实现提供了硬件基础。本文主要研究用于OFDM系统的FFT处理器的设计。概况地介绍了FFT处理器发展现状和OFDM的基本概念、基本工作原理、系统框图。总结了OFDM系统的优缺点,FFT处理器的重要性。详细阐述了数字信号处理理论中快速傅立叶变换的理论基础。对FFT的各种算法,FFT处理器的硬件结构以及各部分的具体实现方法进行了详细的描述。重点研究的内容是:采用了按时间抽取基-2的阵列结构进行设计和仿真。合理地使用加法器、乘法器,特别是对乘法器进行了详细地研究。分析了两种快速乘法算法,最后根据实际需求,采用了Booth算法。通过分析,将Booth算法与流水线结合,满足速度的要求,并用Verilog HDL语言进行描述,编写代码,通过功能仿真及时序分析验证了其快速性。在此基础之上,设计了FFT的蝶形运算单元,降低了运算复杂度,提高了蝶形运算单元的速度。然后根据FFT的运算特点,对整体结构进行RTL级设计,在功能仿真之后,采用TSMC 0.18 LumCMOS工艺对蝶形单元进行了逻辑综合和版图设计,对生成的面积报告、功率报告、时序报告进行分析。本设计使用Matlab、Modelsim、QuartusⅡ、Synplify、Design Compiler、Encounter等软件完成了算法验证、RTL编码、功能仿真、逻辑综合、版图设计。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 FFT处理器研究现状
• 1.3 本论文主要研究内容
• 2 OFDM的基本原理
• 2.1 OFDM技术发展历史及现状
• 2.2 OFDM技术原理
• 2.3 基于FFT的OFDM系统模型
• 2.4 本章小结
• 3 FFT处理器整体方案设计
• 3.1 离散傅立叶变换（DFT）
• 3.2 快速傅立叶变换（FFT）
• 3.2.1 按时间抽取（DIT）的基-2 FFT算法
• 3.2.2 按频率抽取（DIF）的基-2 FFT算法
• 3.3 几种Radix蝶形运算的比较
• 3.3.1 基-4算法讨论
• 3.3.2 几种Radix蝶形运算量比较
• 3.4 FFT硬件实现结构研究
• 3.4.1 顺序处理
• 3.4.2 级联处理
• 3.4.3 并行迭代处理
• 3.4.4 阵列处理
• 3.4.5 本设计结构的选择
• 3.5 流水线
• 4 FFT处理器的RTL级设计及仿真
• 4.1 仿真软件简介
• 4.1.1 Modelsim
• 4.1.2 Quartus Ⅱ
• 4.1.3 Synplify
• 4.2 Verilog HDL语言概述
• 4.3 RTL设计概述
• 4.4 数的表示
• 4.5 加法器的设计
• 4.5.1 基本加法器
• 4.5.2 超前进位高速加法器的设计
• 4.5.3 Wallace Tree结构加法器
• 4.6 复数乘法器的设计
• 4.6.1 采用CORDIC算法并行乘法器
• 4.6.2 采用流水线结构Booth算法乘法器
• 4.6.3 Booth乘法器的仿真
• 4.7 蝶形单元整体设计
• 4.8 FFT处理器整体RTL设计及仿真
• 4.9 本章小结
• 5 逻辑综合及版图设计
• 5.1 逻辑综合
• 5.1.1 Synopsys工具介绍
• 5.1.2 综合步骤
• 5.1.3 综合结果及分析
• 5.2 版图设计
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集