基于FPGA的可配置FFT_IFFT處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

梁赫西 ，陳佑紅 ，鄭朝霞

(1.湖北師范學(xué)院 教育信息與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石435002；2.華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢430074)

基于FPGA的可配置FFT_IFFT處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

梁赫西1，陳佑紅2，鄭朝霞2

(1.湖北師范學(xué)院 教育信息與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石435002；2.華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢430074)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于P2P移動(dòng)無線通信手持終端產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)采用優(yōu)化的單碟形4路并行結(jié)構(gòu)，兼容802.11g協(xié)議，可配置完成64點(diǎn)、256點(diǎn)、1 024點(diǎn)的FFT-IFFT處理器，設(shè)計(jì)以Xilinx公司的Virtex-2系列的XC22V500芯片為硬件平臺(tái)。通過大量實(shí)際信號(hào)與數(shù)據(jù)的聯(lián)合調(diào)試，表明了設(shè)計(jì)的正確性及實(shí)用性。

可配置；FFT-IFFT；P2P；無沖突地址

目前，正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)已經(jīng)成為未來寬帶無線接入系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，其抗多徑衰落和高頻帶利用率的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，是解決高速數(shù)據(jù)在無線信道中傳輸?shù)氖走x方案[1]。

FFT_IFFT處理器是OFDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的核心單元，是OFDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)正交調(diào)制和解調(diào)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于P2P移動(dòng)無線通信手持終端產(chǎn)品，采用單碟形4路并行結(jié)構(gòu)，兼容802.11g協(xié)議，可配置FFT_IFFT處理器，在處理速度、實(shí)現(xiàn)面積、功耗方面均滿足802.11g系統(tǒng)及手持移動(dòng)無線通信終端的要求。

1 基4-FFT算法的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于N點(diǎn)有限長序列的FFT可表示為[2]：

對(duì)式（1）按基4時(shí)域抽取可得：

式（2）經(jīng)等價(jià)的變量代換，并利用旋轉(zhuǎn)因子的性質(zhì)可表示為：

式(4)表明首先對(duì) X[k]取共軛，然后對(duì)其進(jìn)行 FFT變換，對(duì)其結(jié)果再取一次共軛，乘因子1/N，這樣就實(shí)現(xiàn)了IFFT與FFT處理模塊的復(fù)用。

N點(diǎn)有限長序列的IFFT可表示為：

2 可配置FFT/IFFT處理器設(shè)計(jì)

2.1 FFT/IFFT處理器整體結(jié)構(gòu)

可配置FFT/IFFT處理器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，基4蝶形單元主要完成輸入的4路并行計(jì)算。OFDM數(shù)字基帶數(shù)據(jù)流需要高速連續(xù)處理[3]，故FFT處理系統(tǒng)在輸入、輸出均采用了乒乓處理，共需要4組存儲(chǔ)單元，一組存儲(chǔ)單元需要4塊RAM；RAM地址產(chǎn)生單元主要生成存儲(chǔ)單元寫入及讀出數(shù)據(jù)的地址，數(shù)據(jù)選擇模塊主要完成了乒乓操作RAM的數(shù)據(jù)選擇；ROM及其地址產(chǎn)生單元主要在控制單元的控制下將旋轉(zhuǎn)因子送入蝶形單元，配置單元控制不同點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)流操作及其相應(yīng)地址配置。

2.2 FFT/IFFT可配置方案

由基4算法分析可知，要分別完成 1 024、256、64點(diǎn)的 FFT計(jì)算，需要的迭代級(jí)數(shù)分別為 5、4、3級(jí)。由于1 024點(diǎn)的FFT運(yùn)算可分解為4個(gè)256點(diǎn)的FFT運(yùn)算，而256點(diǎn)的FFT運(yùn)算又可分為4個(gè)64點(diǎn)的FFT運(yùn)算，64點(diǎn)的FFT運(yùn)算經(jīng)過3級(jí)迭代就可求出?？梢酝ㄟ^簡單的模式控制實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)的配置，如圖2所示。其中5級(jí)蝶形計(jì)算單元，每級(jí)蝶形單元結(jié)構(gòu)一致，采用順序蝶形計(jì)算，當(dāng)選擇模式0時(shí)，數(shù)據(jù)直接送入第一級(jí)，進(jìn)行1 024點(diǎn)的5級(jí)運(yùn)算；選擇模式1時(shí)，數(shù)據(jù)通過選擇器跳過第1級(jí)，數(shù)據(jù)送入第2級(jí)，從而完成256點(diǎn)的4級(jí)迭代運(yùn)算；選擇模式2時(shí)，數(shù)據(jù)通過選擇器跳過第1級(jí)和第2級(jí)，數(shù)據(jù)送入第3級(jí)，從而完成64點(diǎn)的三級(jí)迭代運(yùn)算。這樣就可以正確簡單地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的配置要求。

2.3 基本蝶形運(yùn)算單元設(shè)計(jì)

蝶形運(yùn)算單元的設(shè)計(jì)是整個(gè)FFT/IFFT處理器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。完成蝶形運(yùn)算的一次復(fù)數(shù)乘法包含4次實(shí)數(shù)乘法和2次實(shí)數(shù)加、減法，如果將乘數(shù)擴(kuò)大1位，可將計(jì)算化簡為3次實(shí)數(shù)乘和5次實(shí)數(shù)加/減法。為了提高處理速度，本設(shè)計(jì)采用四級(jí)流水線處理方式，有效地減小了關(guān)鍵路徑時(shí)延。蝶形單元的數(shù)據(jù)從RAM輸入及輸出到RAM需要2個(gè)時(shí)鐘周期，這里引入2級(jí)流水；對(duì)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部分開并行計(jì)算，一次復(fù)數(shù)乘法只需3個(gè)乘法累加器即可完成，用4個(gè)加法器及4個(gè)減法器即可完成基4蝶形單元后續(xù)數(shù)據(jù)處理，再次引入二級(jí)流水。整個(gè)蝶形單元處理時(shí)間為4個(gè)周期，采用四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)后，以較小的資源代價(jià)有效提高了處理器的時(shí)鐘頻率。

2.4 乒乓RAM設(shè)計(jì)

為了滿足無線移動(dòng)通信要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)流和突發(fā)數(shù)據(jù)流的處理，本文設(shè)計(jì)的FFT/IFFT處理器采用了輸入、輸出雙乒乓結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)高吞吐率的要求。

設(shè)計(jì)共使用 4組 RAM（RAM0～RAM3），每組 RAM劃分為4塊存儲(chǔ)器。輸入數(shù)據(jù)寫入RAM0組中的4塊存儲(chǔ)器，寫完后開始寫入RAM1，與此同時(shí)，從RAM0組中讀出數(shù)據(jù)送入蝶形單元進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果按照同址計(jì)算規(guī)則寫回相應(yīng)的地址，直到M級(jí)蝶形運(yùn)算完成后，最終的計(jì)算結(jié)果寫入RAM2。RAM2寫滿后，即可從RAM2讀出計(jì)算結(jié)果，同時(shí)RAM1組中的數(shù)據(jù)將被讀出送入蝶形單元進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果按照同址運(yùn)算規(guī)律送回RAM1存儲(chǔ)，M級(jí)蝶形運(yùn)算完成后，最終結(jié)果寫入RAM3組，RAM3寫滿后即可從中讀出運(yùn)算結(jié)果。

2.5 無沖突并行地址設(shè)計(jì)[4]

4路并行數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)需要保證每次讀取的一組數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在不同的RAM中，否則在數(shù)據(jù)讀取時(shí)會(huì)產(chǎn)生地址沖突[5]。本設(shè)計(jì)中RAM地址采用二維地址，其中地址x表示每塊RAM中數(shù)據(jù)地址，y表示數(shù)據(jù)來自RAM塊的標(biāo)號(hào)。

設(shè)處理器數(shù)據(jù)輸入序號(hào)用N表示，則N可用四進(jìn)制表示為：

3 FPGA實(shí)現(xiàn)及測試分析

本文FFT/IFFT處理器采用Verilg硬件語言描述，在Mentor公司的Modelsim仿真平臺(tái)上進(jìn)行了RTL功能仿真及時(shí)序仿真，其結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行比較顯示正確。處理器采用了Xilinx公司Virtex-Ⅱ xc22v500芯片進(jìn)行了驗(yàn)證，在SMIC COMS 0.18 μm工藝下對(duì)設(shè)計(jì)的處理器進(jìn)行了綜合仿真。結(jié)果顯示：完成64點(diǎn)16 bit符號(hào)數(shù)復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算只需要50個(gè)時(shí)鐘周期，完成256點(diǎn)FFT運(yùn)算需要256個(gè)時(shí)鐘周期，最大時(shí)鐘頻率可以達(dá)到167 MHz，處理器的單元核心面積為1.4 mm2。設(shè)計(jì)完全滿足了無線移動(dòng)手持終端設(shè)備高速小面積的設(shè)計(jì)要求。

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Design and implementation of FFT_IFFT processor based on FPGA

Liang Hexi1，Chen Youhong2，Zheng Zhaoxia2
(1.College of Educational Information and Technology,Hubei Normal University,Huangshi 435002，China；2.Department of Electronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074，China)

In this paper,a configurable FFT-IFFT processor adopting optimized single butterfly 4 parallel structure is proposed to implement 64/256/1024 points operation.This processor is designed for a P2P wireless terminal compatible with 802.11g protocol.The hardware developing platform is Virtex-II series FPGA XC22V500 of Xilinx.The design is verificated to be correct and practical via joint debugging with large amounts of real signals and data.

configurable；FFT-IFFT；P2P；non-conflicting address

TN92

A

0258-7998(2012)03-0057-03

*基金支持：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010CDB02705)

2011-10-31)

梁赫西，男，1982年生，講師，碩士，主要研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

陳佑紅，女，1986年生，碩士，主要研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

鄭朝霞，女，1975年生，講師，博士，主要研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。