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1、总第158期舰船电子工程Vol.27No.22007年第2期ShipElectronicEngineering1213基于IPCore的FFT处理器的设计与实现李旭蒲昱初徐火生(武汉数字工程研究所武汉430074)摘要在数据通信和图像处理应用中,需要强大的数字信号处理能力。然而,当最快的数字信号处理器仍然无法满足速度要求时,传统的方法是采用多处理器并行处理,或是使用定制的ASIC产品。现在开发者有了更新的选择就是使用现场可编程门阵列来快速、经济地完成设计,大大缩短了产品的研发周期和成本。FFT作为一种数字信号处理的算法,被广
2、泛的应用在了各种通信、测试、图像处理等领域。提出一种基于IP核(IPCore)在FPGA上实现FFT/IFFT的方法。关键词FFT;IFFT;FPGA;IPCore中图分类号TN911.72下,需要至少96个时钟周期才能完成一个样本的1引言计算,1GHz主频的DSP处理器能够实现的样本率在11MSPS以下。而对于FPGA而言,一个系统时FFT(FastFourierTransform)做为一种重要数钟为100MHz的96级的FIR滤波器的样本率就是字信号处理算法,已在音频、视频、雷达、通信、测试100MSPS。所以使用FPG
3、A能够以较小的开销带与测量等领域广泛应用。目前,基于传统DSP处来性能的大幅度提升。而对于更为复杂的FFT算理器的方法由于DSP处理器在结构上的限制,很法,FPGA同样能够实现样本率和系统时钟速率相难实现高点数、高样本率的FFT处理。为了面对等的处理方式,而不需要多个节点并行处理,也不一些高端应用,DSP工程师不得不使用大容量的高需要昂贵的大容量的高速RAM。速RAM将样本采样存储起来后,再进行FFT转换;而一些对实时性要求较高的FFT应用,则需要2FFT算法流程使用多个DSP节点进行并行处理。这样使得整体的系统结构变得更加
4、复杂,成本也更加难以控制,FFT算法的流程是模拟信号(一定带宽的)经目前也没有成熟的针对多个DSP进行调试的手过以奈奎斯特定律为基础的采样,经过正交解调以段。及必要的数字滤波后,分成了I(实部)和Q(虚部)近几年来,随着各大FPGA厂商推出了廉价的两个部分,构成了信号的复数表示。将信号分为I高性能FPGA后,使得FPGA的应用从原先的组合和Q两个部分进行FFT的好处在于:可以有效地时序的定义发展到了现在较为复杂的嵌入式系统提取信号各个频率分量的相位信息(如图2所和DSP应用。各大EDA厂商也纷纷推出了各种示)。在FFT过程中
5、,同时会处理由复数I和Q信工具软件,免除编写HDL的步骤,直接以框图的形号组成的样本点集合,这些集合通常被定义为FFT式进行FPGA功能的定义、仿真与综合。大大降低帧。而FFT则会生成长度和样本数目相同的频率了系统开发的时间与成本。而FPGA基于逻辑单函数,即得出对应的FFT帧的频谱。FFT中的样点元的结构使得一个DSP算法的各个子算法是在同数量通常是2的整数次幂,也称为FFT长度。例一时间并行完成的,这样我们就可以实现DSP算如,1024点FFT可以把1024个I样点和1024个Q法的时钟速率和算法的样本速率相等。以一个9
6、6样点变换成1024个样本的复数频谱函数。图1表级的FIR滤波器,在用传统的DSP处理器的情况示FFT帧和FFT结果之间的关系。3收稿日期:2006年7月13日,修回日期:2007年1月5日作者简介:李旭,男,硕士研究生,主要从事通信系统射频电路的设计。薄昱初,男,硕士研究生,主要从事通信系统DSP算法的设计。徐火生,男,研究员,硕士生导师,主要从事舰船指控系统研究。李旭等:基于IPCore的FFT处理器的设计与实现总第158期在进行FFT时,样本点的数目与每个样本的些不连续的点在做FFT转换过程中不会产生杂散采样周期相乘所
7、得出的时间长度通常称为帧长度。响应,但是若在不连续点附近存在大的信号时(不由于FFT得出的频谱是信号在帧长度期间的频率连续点的跳跃很大的时候),就有可能检测不到附表示,所以从相应的频谱中,是无法分辨出在帧长近的小的信号。这种效应称为频谱泄漏。为了消度内部所发生的频谱临时事件的。帧长度也因此除不连续点对频谱正确性的影响,就需要对每个就是FFT过程的时间分辨率。FFT帧做加窗处理。如图4所示的Blackman-Harris4B窗口函数两端的值为零,其间有一个连续的曲线。把FFT帧乘以窗口函数(样本点和BH4B窗口中的对应序号的值
8、图4Blackman-Harris4B窗相乘),可以有效消除帧两端的不连续点。窗口效应是在窗口中心的样点图1FFT帧和FFT输出的结果之间的关系上放置的权重要高于偏离中心的样点,在两端的值FFT长度一般等于一将达到零。这可以视为有效降低计算FFT所用的个帧中的FFT频域点的数时间,时间和频
