- 基于FPGA的可擴展高速FFT處理器的設計與實現

　　3.RAM結構及其級間數據混序用流水線讀/寫RAM地址發(fā)生器的設計

　　設計的RAM，每個存儲單元為32 bit，高16位為復數的實部，低16位為復數的虛部。輸入輸出數據接口用RAM設計為乒乓結構，用兩塊相同的RAM交替讀出或交替寫入數據，這樣就放寬了對I/O操作速度的要求，使得外圍電路可以不必工作于FPGA系統(tǒng)時鐘。

　　級與級之間數據混序用RAM設計為讀/寫RAM，對RAM同一存儲單元用兩個時鐘完成一次讀/寫操作，即用流水線讀/寫同一塊RAM來實現級與級之間的數據混序。此結構取代了用兩塊RAM完成數據混序的乒乓結構的傳統(tǒng)方法，不涉及存儲器之間的讀寫切換，控制邏輯非常簡單，而且消耗的存儲器資源節(jié)省一半，這是實現結構可靈活擴展的高速FFT處理器的關鍵和難點。可以通過理論推導，求得第i級FFT與第i-1級FFT級間混序用RAM的奇次讀/寫地址為

　　的基礎上向左循環(huán)移位，位長為Li-Li-1位；同時，后者又表示在前者的基礎上向左循環(huán)移位，位長為Li-Li-1位，從而形成地址的循環(huán)移位規(guī)律。把Li-1=Li和Li-1FFT以及混合基FFT級間數據混序用流水線讀/寫RAM地址發(fā)生器。

　　4.8×4×2點組合數FFT處理器的實驗結果及其分析

　　我們利用FPGA實現的各功能模塊按圖1實現結構組裝了8×4×2點組合數FFT處理器，通過仿真驗證了其設計的正確性后，又在FPGA實驗板上對它進行了硬件驗證，其實驗驗證平臺如圖4所示。

　　硬件驗證時采取的實驗方法是，用相同的抽樣頻率fs等間隔地抽取不同頻率單頻正弦信號相同點數64點，即固定FFT的頻率分辨率fr，利用設計的64點FFT處理器計算其幅度譜，觀察其幅度譜中直流分量譜線和諧波分量譜線間隔大小的變化，把實驗結果和理論分析結果進行對照，以確認FFT處理器工作的正常與否。

　　系統(tǒng)時鐘工作在 40.861 MHz 時，抽樣頻率為 40.861/2=20.4305 MHz，抽樣周期為1/20.4305 MHz=“48”.9 ns，抽取64個點的時間是48.9×64＝3.13μs。因為每個采樣數據間隔時間是48.9μs，所以用設計的流水線方式工作的6

　　4點FFT處理器計算其幅度譜的譜線間隔也為48.9 ns。當輸入單頻正弦信號的頻率約為638.454 kHz時，其周期為1/638.454 kHz＝1.567μs。用20.4305 MHz頻率抽樣，3.13μs時間內剛好在正弦信號的2個周期內抽取64點，輸入單頻正弦信號的頻率是頻率分辨率319.227 kHz的2倍，直流分量為幅度譜的第1根譜線，一次諧波分量為幅度譜的第3根譜線，其理論計算結果波形如圖5所示，實驗測試結果波形及其的局部放大波形如圖6和圖7所示。

　　從示波器上可以看出，橫坐標單元格間隔為1μs，FFT變換周期間隔約為3格，即約為3μs，抽取了信號波形的2個周期，64點FFT計算時間也約為3μs。

　　輸入單頻正弦信號的頻率是頻率分辨率319.227 kHz的2倍，直流分量為幅度譜的第1根譜線，一次諧波分量為幅度譜的第2根譜線。由于幅度譜的譜線間隔為48.9 ns，也就是說，直流分量和一次諧波分量間隔約為100 ns。從示波器上可以看出，橫坐標單元格間隔為100 ns，直流分量和一次諧波分量間隔約為100 ns，和理論分析結果一致。

　　四、結論

　　本文以高組合數混合基DFT算法為基礎，設計并用FPGA實現了變換點數可靈活擴展的流水線FFT處理器。輸入/輸出數據速率為20 MHz時，讀/寫RAM工作在40 MHz時鐘，計算出1 024點FFT的運算時間約為52μs。本設計采用模塊化設計結構，便于系統(tǒng)調試和實現，而且各設計模塊可以重復利用，避免重復相同的設計，從而縮短芯片設計開發(fā)時間，更易于FFT處理器的結構擴展。整個FFT設計結構新穎，實現容易，具有一定實用價值。