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基于FPGA的快速傅立叶变换

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:在对FFT(快速傅立叶变换)算法进行研究的基础上,描述了用FPGA实现FFT的方法,并对其中的整体结构、蝶形单元及性能等进行了分析。

    关键词:FPGA FFT

傅立叶变换是数字信号处理中的基本操作,广泛应用于表述及分析离散时域信号领域。但由于其运算量与变换点数N的平方成正比关系,因此,在N较大时,直接应用DFT算法进行谱变换是不切合实际的。然而,快速傅立叶变换技术的出现使情况发生了根本性的变化。本文主要描述了采用FPGA来实现2k/4k/8k点FFT的设计方法。

1 整体结构

一般情况下,N点的傅立叶变换对为:

(范文先生网www.fwsir.com收集整理)

其中,WN=exp(-2 pi/N)。X(k)和x(n)都为复数。与之相对的快速傅立叶变换有很多种,如DIT(时域抽取法)、DIF(频域抽取法)、Cooley-Tukey和Winograd等。对于2n傅立叶变换,Cooley-Tukey算法可导出DIT和DIF算法。本文运用的基本思想是Cooley-Tukey算法,即将高点数的傅立叶变换通过多重低点数傅立叶变换来实现。虽然DIT与DIF有差别,但由于它们在本质上都是一种基于标号分解的算法,故在运算量和算法复杂性等方面完全一样,而没有性能上的优劣之分,所以可以根据需要任取其中一种,本文主要以DIT方法为对象来讨论。

N=8192点DFT的运算表达式为:

基于FPGA的快速傅立叶变换

式中,m=(4n1+n2)(2048k1+k2)(n=4n1+n2,k=2048k1+k2)其中n1和k2可取0,1,...,2047,k1和n2可取0,1,2,3。

由式(3)可知,8k傅立叶变换可由4×2k的傅立叶变换构成。同理,4k傅立叶变换可由2×2k的傅立叶变换构成。而2k傅立叶变换可由128×16的傅立叶变换构成。128的傅立叶变换可进一步由16×8的傅立叶变换构成,归根结底,整个傅立叶变换可由基2、基4的傅立叶变换构成。2k的FFT可以通过5个基4和1个基2变换来实现;4k的FFT变换可通过6个基4变换来实现;8k的FFT可以通过6个基4和1个基2变换来实现。也就是说:FFT的基本结构可由基2/4模块、复数乘法器、存储单元和存储器控制模块构成,其整体结构如图1所示。

图1中,RAM用来存储输入数据、运算过程中的中间结果以及运算完成后的数据,ROM用来存储旋转因子表。蝶形运算单元即为基2/4模块,控制模块可用于产生控制时序及地址信号,以控制中间运算过程及最后输出结果。
基于FPGA的快速傅立叶变换
2 蝶形运算器的实现

基4和基2的信号流如图2所示。图中,若A=r0+j*i0,B=r1+j*i1,C=r2+j*i2,D=r3+j*i3是要进行变换的信号,Wk0=c0+j*s0=1,Wk1=c1+j*s1,Wk2=c2+j*s2,Wk3=c3+j*s3为旋转因子,将其分别代入图2中的基4蝶形运算单元,则有:

A′=[r0+(r1×c1-i1×s1)+(r2×c2-i2×s2)+(r3×c3-i3×s3)]+j[i0+(i1×c1+r1×s1)+(i2×c2+r2×s2)+(i3×c3+r3×s3)]  (4)

B′=[r0+(i1×c1+r1×s1)-(r2×c2-i2×s2)-(i3×c3+r3×s3)]+j[i0-(r1×c1-i1×s1)-(i2×c2+r2×s2)+(r3×c3-i3×s3)]  (5)

C′=[r0-(r1×c1-i1×s1)+(r2×c2-i2×s2)-(r3×c3-i3×s3)]+j[i0-(i1×c1+r1×s1)+(i2×c2+r2×s2)-(i3×c3+r3×s3)] (6)

D′=[r0-(i1×c1+r1×s1)-(r2×c2-i2×s2)+(i3×c3+r3×s3)]+j[i0+(r1×c1-i1×s1)-(i2×c2+r2×s2)-(r3×c3-i3×s3)] (7)

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