第1章 绪论
1.1论文研究背景
随着现代科学技术的发展，尤其达到了制造大规模集成电路工艺水平，数字信号处理技术相应的发展空间很大。数字信号处理是一门很前沿的交叉型学科理论深厚，技术发展很迅速、广泛应用于众多领域。数字信号处理理论和技术是当前高新理论和技术的强有力的基础，它研究信号处理的客观规律性，即如何把信号用数字或符号表示成序列，然后通过计算机或通用(专用)信号处理设备，采用数字的数值计算方法处理，以提取有用的信息以便应用。数字信号处理技术具有很高的灵活性、高精度和高稳定性、便于大规模集成和对数字信号进行存储、运算，系统可以获得高性能指标等特点。因此数字信号处理技术在生物医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、声学、光学、通信、语音系统、信号和图像处理中有着广泛的应用。而傅立叶变换算法在数字信号处理的应用中起着极其重要的作用，它是系统的核心部分，对傅立叶变换算法进行研究很有必要。分析各种算法的特点，针对不同场合的应用选择合适的算法设计出FFT处理器可以大大减少计算量和硬件资源，达到优化系统的目的。
目前，FFT己广泛应用在频谱分析、匹配滤波、数字通信、图像处理、语音识别、雷达处理、遥感遥测、地质勘探和无线保密通讯等众多领域。在不同应用场合，需要不同性能要求的FFT处理器。在很多应用领域都要求FFT处理器具有高速度、高精度、大容量和实时处理的性能。因此，如何更快速、更灵活地实现FFT变得越来越重要。
1.2 FFT处理器的发展现状
FFT处理器是FFT算法的硬件实现，针对其硬件实现方案，主要有三种途径:
(1)利用通用数字信号处理芯片来实现(DSP处理器)
针对一般数字信号处理算法的实现，采用通用可编程硬件处理器技术来实现FFT。这种实现方法具有软件设计多用性的优点，能够适用于各种需要FFT运算进行信号处理的应用场合，灵活方便。但是，通用DSP处理器构成的FFT处理机采用循环编码算法，程序量小，但存在大量的冗余运算，需要许多跳转操作，处理速度较慢，难以满足现代数字信号处理高速、大规模、实时性的要求。在进行大点数FFT计算时，并行算法与DSP处理器的寻址能力不相适应，不能有效利用数据传输的带宽和运算能力，造成硬件资源的浪费。
(2)利用专用FFT芯片或用户定制的专用集成电路来实现(ASIC)
针对FFT的特有算法，用专用的硬件组成专用的FFT芯片来实现FFT。ASIC在一些特殊功能的表现上相当好。这种方案运算速度快，可靠性高，非常适合实时和对靠性要求较高的信号处理系统，但专用FFT芯片不能重新组态，可编程能力有限。在产品发展过程中，它的功能无法任意修改或改进。因此，任何的线路改版都需要重新设计并且重新制造，这不仅增加开发成本，而且造成产品快速上市的障碍，不太适合处理算法和参数经常改变的场合。
(3)利用可编程逻辑器件来实现(以FPGA为代表)
随着FPGA技术的普及，以及FFT算法在各个领域的广泛应用，使用FPGA芯片设计FFT正在世界范围内兴起。FPGA芯片具备在线可编程能力，具有硬件结构可重构的特点，适合于算法固定、运算量大的前端数字信号处理。新近推出的FPGA产品都采用多层布线结构，更低的核心电压，更丰富的输入/输出管脚，更大容量的逻辑单元，内置嵌入式RAM资源，内部集成多个数字锁相环，嵌入
多个硬件乘法器，所有这一切都使得FPGA在数字信号处理领域显示出自己特有的优势。目前在国际市场上，专用FTF处理器可以达到的速度数量级普遍为1024点16位字长定点、块浮点、浮点运算在几十和数百μs量级，其中采用TI公司的DsP62x定点系列实现1024个复数点FFT达到66娜量级处理速度，DSP64x系列达到36娜量级 。现在，以FPGA芯片生产厂商为主的公司在基于FPGA设计FFT的综合研究方面处于领先地位，而且由于FPGA芯片生产厂商对本厂生产芯片性能上的了解，设计的FTF处理器可以最大限度的发挥芯片的性能。FPGA厂商XILINX公司和ALTERA公司都研制了FFT IP(InielleuctalPrPoeyrt)核，性能非常优越。采用双XILINX公司的DSPCoer中的FFTIP核处理16位1024点数据，在Virtex11系列基一2结构、246MHz外频时钟下，速度达到25.49 娜量级;ALTEAR公司2006年4月推出的FFT IP核，全面支持ALTERA公司的最新器件，使用此FFT IP核计算16位1024点数据，在332MHz外频时钟下仅需要6.3娜。FFT护核通常专为要求高可靠性的应用场合而设计，如雷达、地面和高空通信、声学、石油和医疗信号处理等，且价格十分昂贵，难以在基层应用领域普及。国内外学者在用FPGA实现FFT处理器方面做了大量的工作，并取得了良好的效益。我国的FPAG技术起步相对较晚，但进入21世纪后，发展非常迅速。目前不少大学及研究所都使用FPGA芯片设计开发具有自主知识产权的FFT。
1.3 FPGA实现FFT的优越性
由于成本、系统功耗和面市时间等原因，许多通讯、视频和图像系统已无法简单地利用DSP处理器来实现，基于FPGA的信号处理器己广泛应用于各种信号处理领域。FPGA所固有的灵活性和性能可让设计者紧跟新标准的变化，并能提供可行的方法来满足不断变化的标准要求。
与DSP相比，FPGA实现FFT的主要优越性有:
(1)FPGA实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好。FPGA有内置的高速乘法器和加法器，尤其适合于乘法和累加等重复性的DSP任务。
(2)FPGA的存储量大。DSP内部一般没有大容量的存储器，但是FTF实时处理运算需要存储大量的数据，只能外接存储器，这样往往会使运算速度下降，同时电路也会更复杂和不稳定。目前，高档的FPGA中有巨量的高速存储器，不用外接存储器便可实现FFT实时处理运算，其速度更快，电路更简单，集成度和可靠性也大幅度提高。
(3)FPGA是硬件可编程的，比DSP更加灵活。DSP往往需要外部的接口和控制芯片配合工作，FPGA则不需要，这样使得硬件更简单和小型化。
(4)在比较FPGA和DSP时，一个极为重要的系统参数是输入/输出(1/0)带宽。除了一些专用引脚外，FPGA上几乎所有的引脚均可供用户使用，这使得FPGA信号处理方案具有非常高性能的FO带宽。大量的FO引脚和多块存储器可让系统在设计中获得优越的并行处理性能。
1.4 本文研究的主要内容及主要工作
本文主要针对基一2顺序处理的FFT处理器的FPGA实现进行了研究，涉及算法选取、处理器结构设计、系统仿真、FPGA实现和系统测试。本论文共5章，各章的具体内容如下:
第1章阐述了FFT的发展现状及选题的意义和论文内容。
第2章主要讨论了FPGA技术及硬件描述语言的相关内容。详细介绍了XILINX公司的Virtxen系列产品的主要电路结构。
第3章探讨了FFT算法原理和FFT处理器的硬件实现结构，并在处理速度、硬件消耗和精度方面提出了优化措施。
第4章阐述了应用FPGA实现FFT的具体设计，包括蝶形运算单元设计、块浮点单元设计、地址产生单元设计、双口RAM乒乓结构设计、功能切换模块设计、数据切换模块设计、旋转因子计算、减少ROM读取操作设计、时序控制单元设计和DCM的设计。最后设计出512点数复数的FFT处理系统。
第5章介绍了FFT系统的仿真测试，给出了反映对芯片资源利用情况的实现报告。设计了两种信号进行测试，并与MATLAB计算的理论结果进行了比较。
最后对整篇论文进行了总结和讨论。