基于FPGA的FFT處理器的研究
目 錄
中文摘要…………………………………………………………………………………………1
1 緒論…………………………………………………………………………………………1
1.1 EDA技術及其發(fā)展簡介 ………………………………………………………………2
1.2 可編程邏輯器件 ………………………………………………………………………3
1.3 DSP技術及其應用簡介…………………………………………………………………4
1.4 兩類DSP解決方案的比較………………………………………………………………5
2 FPGA設計簡介 ……………………………………………………………………………7
2.1 工具的選擇 ……………………………………………………………………………7
2.2 Quartus II設計實現(xiàn)流程…………………………………………………………………9
2.2.1 建立工作庫文件夾和編輯設計文件…………………………………………………9
2.2.2 創(chuàng)建工程 …………………………………………………………………………9
2.2.3 編譯前設置 ………………………………………………………………………10
2.2.4 全程編譯 …………………………………………………………………………11
2.2.5 時序仿真 …………………………………………………………………………12
2.2.6 應用RTL電路圖觀察器……………………………………………………………13
2.3 FPGA的結構和原理 …………………………………………………………………14
3 FFT的FPGA實現(xiàn) ………………………………………………………………………15
3.1 引言 ………………………………………………………………………………15
3.2 FFT的基本概念 ………………………………………………………………………15
3.2.1 FFT的推導 ………………………………………………………………………15
3.2.2 算法種類 …………………………………………………………………………17
3.2.3 DIT—FFT算法……………………………………………………………………19
3.2.4 運算量的比較 ……………………………………………………………………23
3.2.5 原位計算和碼位倒讀………………………………………………………………24
3.3 FFT部分模塊的FPGA實現(xiàn) …………………………………………………………24
3.3.1 單級蝶形運算模塊…………………………………………………………………24
3.3.2 蝶形因子的仿真實現(xiàn)………………………………………………………………27
４ 結論 ………………………………………………………………………………………28
參考文獻 ………………………………………………………………………………………28
英文摘要 ………………………………………………………………………………………29
致謝 ……………………………………………………………………………………………29
附錄 ……………………………………………………………………………………………30
基于FPGA的FFT處理器的研究
摘要：快速傅立葉變換FFT是信號分析與處理中的重要變換DFT的快速算法，隨著電子器件和信號處理技術的.發(fā)展，這種變換必將得到更為廣泛的研究和應用。本文討論了1種基于FPGA的FFT處理器，并設計了FFT的部分模塊。結合高速、實時快速傅里葉變換（FFT）的實際需求,在分析了基２、按時間抽�。―IT）FFT算法的基礎上,采用多級串行的同步流水線結構,利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）完成8點FFT。該結構采用了基于流水線結構和快速并行乘法器的蝶形處理器。乘法器采用基2算法，以8點復數(shù)FFT為實例設計相應的控制電路。此FFT結構使用VHDL語言完成了部分模塊的設計，用Quartus II軟件進行了仿真和驗證。結果表明,利用FPGA實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理(DSP)算法是完全可行的，且在此基礎上易于擴展為大點數(shù)FFT運算結構。
關鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；快速傅立葉變換；蝶形處理器；按時間抽取FFT算法
Based On FPGA
Abstract: With the developments of electronic technology, the FFT, a high-speed algorithm of DFT which is an important transform of the signal analyzing and processing, will be applied broadly. The research of FFT Processor based on FPGA is discussed and the part of FFT Processor module is designed in this paper. This paper is dedicated to the description of design and implementation of a high speed and real-time FFT processor with FPGA. Synchronously pipelined architecture which is based on FFT Algorithm of Radix 2 and DIT(decimation in time) is utilized to achieve high throughput. This FFT Architecture is based on a butterfly processor which employs pipeline architecture and fast parallel multiplier. A control unite is designed for 8 points complex number FFT. The FFT structure is written in VHDL, synthesized in FPGA, and proceeded simulation and validation based on the software Quartus II. An example demonstrates that the high-performance FPGA is suitable for complicated digital signal processing, and this FFT structure is easy to expand more points FFT structure.
Keywords: FPGA; FFT; butterfly processor; DIT-FFT
1 緒論
眾所周知，信號與信號處理是信息科學中近10幾年來發(fā)展最為迅速的學科之1。而現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）正處于革命性數(shù)字信號處理的前沿。全新的FPGA系列正在越來越多地替代專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）和可編程數(shù)字信號處理器PDSP（Programmable Digital Signal Processor）用作前端數(shù)字信號處理的運算。FPGA具有許多與ASIC相同的特點，如：在規(guī)模、重量和功耗等方面都有所降低。而且吞吐量更高、能夠更好的防止未授權復制、元器件和開發(fā)成本進1步降低，開發(fā)時間也大大縮短。還具有在線路中可重復編程的特性。從而可以產(chǎn)生更為經(jīng)濟的設計。正如我們現(xiàn)在已經(jīng)看到的，隨著FPGA在數(shù)字信號處理中的大規(guī)模應用，正在日漸深入地影響我們的生產(chǎn)和生活，也必將在這1領域引起深刻的變革。
DFT是信號分析與處理中的1種重要變換。因直接計算DFT的計算量與變換區(qū)間長度的平方成正比，當 較大時，計算量太大，所以在FFT出現(xiàn)以前，直接用DFT算法進行譜分析和信號的實時處理是不切實際的。
直到1965年J.W.Cooley和J.W.Tukey對DFT提出了1種快速、通用的算法，稱之為快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform），也稱為“庫利—圖基（Cooley-Tukey）算法”。使得DFT得到了廣泛的應用，并推動了數(shù)字信號處理技術的迅速發(fā)展。FFT不是1種新的變換，而僅是DFT的快速算法。他使信號的實時處理和設備的簡化得以實現(xiàn)。FFT的應用非常廣泛，比如應用在信號的頻譜分析、信號的濾波、快速卷積等方面。從此，離散時間系統(tǒng)的研究與應用在許多方面取代了傳統(tǒng)的連續(xù)時間系統(tǒng)，20世紀70年代初，國外市場就已經(jīng)開始出售FFT的專用硬件，現(xiàn)在FFT處理機已成為相當普通的計算機外圍設備。
本文就是基于以上原因，進行基于FPGA的FFT處理器的研究。先在第1章簡單介紹了當前的EDA技術的概況，以及我們需要用到的FPGA技術的概況和用于設計的元器件和工具的DSP系統(tǒng)的技術發(fā)展概況，并對DSP實現(xiàn)的方式進行了比較，選擇了適合我們的方式。第2章主要介紹FPGAThe Research Of FFT Processor
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