毕业设计报告-基于FPGA的FFT设计与实现.doc

信息与通信工程学院
综合实验(1)设计报告
基于FPGA的FFT设计与实现
学号:S309080034
专业: 光学工程
学生姓名:彭欢
任课教师:钟志副教授

2010年7月
基于FPGA的FFT的设计与实现
彭欢
信息与通信工程学院
摘要:本文主要研究如何利用FPGA实现FFT处理器,包括算法选取、算法验证、系统结构设计、各个模块设计、FPGA实现和测试整个流程。设计采用基-2按时间抽取算法,,利用Verilog HDL描述的方式实现了512点16bist复数块浮点结构的FFT系统,并以FPGA芯片场Virtex II XC2V1000为硬件平台,进行了仿真、综合等工作。仿真结果表明其计算结果达到了一定的精度,运算速度可以满足一般实时信号处理的要求。
关键词:快速傅立叶变换,现场可编程门阵列,块浮点,Verilog HDL
引言
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。在过去很长一段时间,DSP处理器是DSP应用系统核心器件的唯一选择。尽管DSP处理器具有通过软件设计能适用于实现不同功能的灵活性,但面对当今速度变化的DSP应用市场,特别是面对现代通信技术的发展,DSP处理器在处理速度上早已力不从心。
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。
现场可编程门阵列(FPGA)技术
FPGA器件简介
FPGA即现场可编程门阵列,它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术,使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计,缩短设计周期,提高设计质量。FPGA己经在计算机硬件、工业控制、遥感遥测、雷达声纳、数据处理、智能仪器仪表、广播电视、医疗电子和现代通信等多种领域中得到广泛应用
,FPAG开发技术,己经成为数字系统的教学实践、科研试验、样机调试和中小批量生产的首选方案。
FPGA的基本结构
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个新概念,内部一般是由可配置逻辑模CLB、可编程输入/输出模块IOB和互连资源ICR及一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成,以XILNIX公司的XC4000,。
XC4000系列FPGA基本结构
FPGA器件的性能特点
FPGA器件的性能特点主要有:
(1)、采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
(2)、FPGA提供丰富的I/O引脚和触发器,集成度远远高于可编程阵列逻辑(PAL)器件。
(3)、FPGA器件结构灵活,内部的CLB、IOB和ICR均可以编程,可以实现多个变量的任意逻辑。
(4)、某些器件提供片内高速RAM,可用于FIFO等设计。
(5)、基于SRAM编程技术,具有高密度、高速度、高可靠性和低功耗的特性。
(6)、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
基于FPGA的系统开发
以XILNIX为例,FPGA设计的一般流程包括设计输入、功能仿真、设计实现、时序仿真、器件编程与测试几个步骤。。
FPGA设计流程
(l)、设计输入:主要输入方法有硬件描述语言和原理图,结构向导(Architrcture Wizard)和核生