高性能FFT处理器的研究与FPGA实现

论文摘要

目前,OFDM技术已经成为未来宽带无线接入系统的基本实现技术之一,是解决高速数据在无线信道中传输问题的首选方案。FFT/IFFT处理器是OFDM系统中数据处理的核心单元,是OFDM系统中数据正交调制和解调的关键,FFT/IFFT处理器的设计直接决定着OFDM系统的性能。本文结合P2P手持移动终端无线通信数字基带项目,设计了一种基于OFDM系统,兼容802.11g协议,可变点数的高性能FFT/IFFT处理器。本文首先介绍了OFDM系统的基本原理及其DFT实现,详细分析了FFT/IFFT处理器设计的理论基础,比较了各种算法实现的运算量及复杂度,结合硬件实现结构与可配置单元,选择了改良后的基-4蝶形算法实现处理器的设计。设计采用四路并行数据传输,在蝶形单元内部采用四级流水,提高了系统处理速度,根据基带项目数据流的特点,输入输出均采用了乒乓RAM的处理,有效地实现了对连续数据流的处理;通过对系统要求的三种不同点数64点、256点、1024点的运算规律分析,设计了可变点数的配置方案,该方案通过控制选择各级蝶形运算及复用蝶形单元,大大地缩减了硬件开销;同时设计给出了不同点数无冲突地址产生方案,实现4路并行数据的同时操作,最后对系统误差及溢出作了分析。项目以XILINX公司的VIRTEX-5系列的XC5VFX70T芯片为硬件平台,以ModeSim6.2、ISE9.2、DC、MATLAB为软件平台,对设计进行了综合测试,结果显示综合后FFT/IFFT处理器最高工作频率为166MHz,在SMIC 0.18工艺下综合后面积约为0.54平方毫米,通过对P2P无线通信项目大量实际信号与数据的联合调试,结果表明了设计的正确性及实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、背景及研究意义
• 1.2 FFT 处理器研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容和结构
• 2 OFDM 系统及 DFT 原理
• 2.1 OFDM 系统基本原理
• 2.2 OFDM 的DFT 实现
• 2.3 基于 FFT 的 OFDM 系统模型
• 2.4 离散傅立叶变换（DFT）
• 2.5 本章小结
• 3 可配置 FFT/IFFT 整体方案设计
• 3.1 FFT 算法分析
• 3.1.1 基2-FFT 算法
• 3.1.2 基4-FFT 算法
• 3.1.3 分裂基快速算法
• 3.2 项目算法选择方案
• 3.3 FFT 与IFFT 复用方案
• 3.4 数据运算方案
• 3.4.1 定点表示
• 3.4.2 系统误差及溢出分析
• 3.5 实现构架的比较与选择
• 3.6 本章小结
• 4 可配置 FFT/IFFT 处理器设计
• 4.1 综述
• 4.2 可配置 FFT/IFFT 处理器整体结构
• 4.3 不同点数的 FFT 可配置设计
• 4.4 蝶形运算单元设计
• 4.5 乒乓 RAM 设计
• 4.6 地址产生单元
• 4.6.1 RAM 地址产生单元
• 4.6.2 ROM 地址产生单元
• 4.7 本章小结
• 5 仿真验证与 ASIC 设计
• 5.1 FFT 处理器功能仿真
• 5.2 FPGA 原型验证
• 5.3 DC 综合
• 5.4 系统信号仿真测试
• 5.4.1 锯齿波信号测试
• 5.4.2 双频正弦波信号测试
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献