LTE系統(tǒng)中FFT的實現(xiàn)

　　在數(shù)字信號處理中，離散傅里葉變換(DFT)是常用的變換方法，它在各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)中扮演著重要的角色?？焖俑道锶~變換(FFT)[1-2]是離散傅里葉變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的，兩者都是為了將信號變換到頻域并進行相應的頻譜分析。對于實時性要求很強的信號處理來說，運算速度對整個處理的影響是顯而易見的。因為FFT擁有很高的運算能力，使其在無線通信和數(shù)字通信、高速圖像處理、匹配濾波等領域得到極為廣泛的應用。

　　LTE作為準4G技術，以正交頻分復用OFDM和多輸入多輸出MIMO技術為基礎，下行采用正交頻分多址(OFDM)技術，上行采用單載波頻分多址(SC-FDMA)技術，在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mb/s和上行50Mb/s的峰值速率[3]。

　　頻域分析比時域分析更優(yōu)越，不僅簡單，且易于分析復雜信號[4]。在LTE系統(tǒng)中，FFT算法主要應用于基帶信號生成、信號的接收和檢測等，將時域信號轉(zhuǎn)移到頻域進行處理。

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　　其中，x(n)為復數(shù)序列，WNkn和X(K)也為復數(shù)，因此每計算一個X(K)值，需要進行N次復數(shù)乘法運算和N-1次復數(shù)加法運算。而X(K)共有N個點，所以完成整個DFT運算需要進行N2次復數(shù)乘法和N(N-1)次復數(shù)加法運算，當N很大時，運算量相當可觀。然而對于實時性很強的信號處理來說，如滿足其要求，運算速度就太高了。利用旋轉(zhuǎn)因子WNkn的對稱性、周期性和可約性，可以使DFT運算中的有些項合并，將長序列的DFT分解為幾個短序列的DFT，從而大大減少運算次數(shù)。FFT算法可以分為時間抽取法和頻域抽取法兩大類。頻域抽取法的運算特點與時間抽取法的基本相同，不同之處是頻域抽取法的蝶形運算是先加后乘，時間抽取法的蝶形運算是先乘后加;頻域抽取的輸入序列是自然順序，輸出序列是倒序，而時間抽取法的輸入序列是倒序，輸出序列是自然順序。

　　假設輸入序列x(n)長度為N=2M，M是正整數(shù)。如果不滿足這個條件，在序列尾部人為地加上若干零值點，使其達到這一要求。將序列x(n)按n的奇偶分解為兩個N/2點的子序列：

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　　2 FFT算法的DSP實現(xiàn)

　　2.1 硬件

　　TMS320C6000系列DSP是TI公司推向市場的高性能DSP，綜合了目前性價比高、功耗低等優(yōu)點。TMS320C64系列提高了時鐘頻率，在體系結(jié)構上采用了VelociTI甚長指令集VLIW(Very Long Instruction Word)結(jié)構[5]，芯片內(nèi)有8個獨立功能單元的內(nèi)核，每個周期可以并行執(zhí)行8條32bit指令，最大峰值速度為4800MIPS，2組共64個32bit通用寄存器，32bit尋址范圍，支持8/16/32/40 bit的數(shù)據(jù)訪問，芯片內(nèi)集成大容量SRAM，最大可達8Mb。由于出色的運算能力、高效的指令集、大范圍的尋址能力，使其特別適用于無線基站、測試儀表等對運算能力和存儲量要求高的應用場合。

　　2.2 FFT算法的DSP實現(xiàn)

　　FFT算法作為一個子函數(shù)模塊且輸入序列長度不盡相同，所以，方案定義了輸入輸出變量及其調(diào)用格式。調(diào)用格式：Turbo_Code(int*，int，int，char*，char*，int*)，其中，int分別表示輸入序列的長度和FFT的級數(shù);int*分別表示輸入序列的首地址和輸出序列的首地址;char*分別表示旋轉(zhuǎn)因子的余弦的首地址和旋轉(zhuǎn)因子的正弦的首地址。

　　FFT算法具體實現(xiàn)流程如下：

　　(1)時間抽取法的FFT中，每個蝶形的輸入、輸出數(shù)據(jù)節(jié)點在一條水平線上，所以每個蝶形的輸出數(shù)據(jù)可以立即存入原輸入數(shù)據(jù)所占用的存儲單元。這種原位計算可節(jié)省大量的內(nèi)存，并且理論上減少不同寄存器之間存取數(shù)據(jù)的時間。

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　　使用C語言編寫主函數(shù)，匯編語言編寫FFT算法的實現(xiàn)函數(shù)。程序中假設輸入數(shù)據(jù)最大長度為1024，由于DSP C6455可以直接存取處理32bit，所以在內(nèi)存中定義了長度為8192bit作為存放輸出序列的內(nèi)存空間。為了提高運算精確度，輸入數(shù)的實部和虛部分別占用一個字，在程序中進行復數(shù)相乘操作是采用匯編指令MPYHI。內(nèi)存定義了長度為2048bit的Tempsequence作為存放倒序序列，并且建立了2張旋轉(zhuǎn)因子查找表，分別為Wr和Wi。

　　外循環(huán)中，在每次內(nèi)循環(huán)之前從輸入比特序列中取出32bit放入一個寄存器，作為一個內(nèi)循環(huán)的輸入，內(nèi)循環(huán)結(jié)束后，取下一個32bit輸入比特更新這個寄存器。