基于FPGA器件實現(xiàn)微波接力機(jī)中的FFT模塊設(shè)計

1、引言

對于地面上的遠(yuǎn)距離微波通信，當(dāng)通信距離超過一定范圍時，電磁波傳播會受到地面的阻擋，隨著通信距離的增加通信信號則會衰減。為了延長通信距離和提高通信質(zhì)量，需要在通信二地之間設(shè)立若干微波中繼設(shè)備（例如微波接力機(jī)），進(jìn)行電磁波轉(zhuǎn)接并對信號進(jìn)行逐段接收和放大后再發(fā)送給下一段。在微波接力通信中，通常采用擴(kuò)頻方式提高系統(tǒng)的抗干擾能力。但是，擴(kuò)頻系統(tǒng)過寬的頻帶帶寬很容易在通信設(shè)備密集的地方受到其他設(shè)備的干擾（窄帶干擾）。所以在微波接力機(jī)工作過程中，需要對接收信號中的窄帶干擾信號進(jìn)行快速識別并利用相應(yīng)的自適應(yīng)陷波等技術(shù)對窄帶干擾進(jìn)行抑制。由于在頻域上窄帶干擾的功率譜呈現(xiàn)尖峰狀，而擴(kuò)頻信號大致呈現(xiàn)平坦特性且并容易識別。所以要在微波接力機(jī)中設(shè)計FFT模塊用于計算信號的功率譜。

對實現(xiàn)FFT的工程，目前通用的方法是采用DSP、FFT處理電路及FPGA。用DSP實現(xiàn)FFT的處理速度較慢，不能滿足某些高速信號實時處理的要求；專用的FFT處理器件雖然速度較快，但是價格相對昂貴且外圍電路相對復(fù)雜；采用新一代的FP-GA來實現(xiàn)FFT兼有二者的優(yōu)點。FPGA資源豐富、易于借助并行流水的特點來實現(xiàn)FFT，不但性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好，而且可以大大縮短計算的耗時。以Altera公司的Stratix系列FPGA為例，它具有多達(dá)79 040個邏輯單元、7 MB的嵌入式存儲器、優(yōu)化的數(shù)字信號處理器和高性能的I/O能力，非常方便以全并行流水方式進(jìn)行FFT處理。

選用Stratix系列中的EPlS25型FPGA來實現(xiàn)FFT，在系統(tǒng)主頻大于52 MHz的環(huán)境下穩(wěn)定工作后，完成1次256點的FFT所需要的時間小于5μs，完成1次1024點的FFT所需時間小于20μs，完全滿足實時處理的要求。

2、模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 FFT算法選擇

自從1965年J.W.Tuky和T.W.Coody在《計算機(jī)數(shù)學(xué)》上發(fā)表了著名的《機(jī)器計算傅立葉級數(shù)的一種算法》論文后，經(jīng)過幾十年來的不斷改進(jìn)，形成了很多FFT的高效算法。這些算法基本上分為二大類：時域抽取法FFT（DIT-FFT）和頻域抽取法FFT（DIF-FFT）。時域抽取法是把變換模塊的輸入數(shù)據(jù)在時域上按一定的倒序規(guī)則打亂，經(jīng)過變換后，輸出的FFT頻域信號是順序排列的。而頻域抽取法是把變換模塊的輸入數(shù)據(jù)在時域上按順序輸入，經(jīng)過變換后，輸出的FFT頻域信號按照倒序列規(guī)則輸出。根據(jù)運算基的不同，又可以分為基2、基4、基8及混合基算法等。

在該變換模塊的處理過程中，可以在預(yù)加窗單元方便地完成倒序操作，而且在全并行流水方式處理的過程中，采用時域抽取可以充分利用原址存儲，節(jié)省內(nèi)存。所以，在設(shè)計中選擇簡單實用的時域抽取基2FFT算法。

2.2 FFT模塊與外部電路的接口

FFT模塊與外部電路的接口如圖1所示。圖中，輸入信號Xin為復(fù)數(shù)零中頻信號，數(shù)據(jù)寬度為18bit，編碼格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼。Xout是復(fù)數(shù)變換輸出信號，數(shù)據(jù)寬度為18 bit，編碼格式也是二進(jìn)制補(bǔ)碼。CLK和HCLK分別是系統(tǒng)的主時鐘和2倍時鐘。HCLK主要用于數(shù)據(jù)的輸入、輸出。當(dāng)CLK為‘1’時，由Xin在HCLK的上升沿輸入實部數(shù)據(jù)并在Xout輸出變換數(shù)據(jù)的實部；當(dāng)CLK為‘O’時，由Xin在HCLK的上升沿輸入虛部數(shù)據(jù)并在Xout輸出變換數(shù)據(jù)的虛部。iFSyne為變換輸入幀同步控制信號，oFSync為變換輸出幀同步控制信號。2個信號為‘1’時分別表示模塊輸入/輸出變換幀的第1個數(shù)據(jù)開始輸入/輸出。

2.3 全并行流水方式的實現(xiàn)

在FFT工作方式的設(shè)計上，充分利用FPGA內(nèi)嵌乘法器和存儲器資源豐富的特點．采用全并行的流水工作方式。如圖2所示，圖中N為進(jìn)行FFT運算的點數(shù)，M=log2N。以N=256，M=8為例，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作之后，在256個時鐘之內(nèi)，同時有l(wèi)O組數(shù)據(jù)在做不同的運算。當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)輸入的時候，第10組數(shù)據(jù)正在輸出，而中間的8組數(shù)據(jù)正在進(jìn)行各級蝶形運算。因此，當(dāng)模塊進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，每隔256個時鐘就有一組數(shù)據(jù)完成256點的FFT，從輸出RAM中輸出。

2.4 FFT變換模塊的內(nèi)部設(shè)計

FFT內(nèi)部變換模塊的設(shè)計如圖3所示。下面以N=256點的FFT為例分別予以說明。

2.4.1 加窗并倒序存儲單元

為了減少時域截斷造成的頻譜泄漏誤差，在進(jìn)行FFT變換前應(yīng)對模塊輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理?？紤]到本模塊主要用來分析疊加有窄帶干擾的擴(kuò)頻信號，它要求精確給出每個窄帶干擾的中心頻率及其干擾強(qiáng)度的相對大小，所以，這里選用帶外衰減為80 dB的Chebyshev窗以獲取良好的頻譜效果。經(jīng)過加窗之后的數(shù)據(jù)按照倒序的規(guī)則存儲在RAM中，等待進(jìn)入蝶形運算單元進(jìn)行運算。

2.4.2 控制單元

控制單元是整個FFT變換模塊的核心。它主要負(fù)責(zé)以下二方面的工作。

（1）提供各個模塊的運算使能

當(dāng)檢測到輸入口的iFSync信號為高電平后，立即啟動“加窗并倒序存儲單元”和“窗因子ROM”單元進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、加窗、倒序存儲處理。在256個時鐘之后，啟動“各級蝶形運算”單元，并控制地址產(chǎn)生單元產(chǎn)生當(dāng)前需要的各類地址。中間各級蝶形運算的使能由上l級蝶算單元產(chǎn)生。在第8級運算結(jié)束時，提供數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)志oFSync，并控制輸出RAM同步輸出數(shù)據(jù)。

（2）產(chǎn)生各級運算過程中所需的地址

倒序地址：用模為N的同步計數(shù)器的輸出來實現(xiàn)，把當(dāng)前計數(shù)器輸出的高位與低位的對應(yīng)位進(jìn)行全部對調(diào)即可得到當(dāng)前數(shù)據(jù)的倒序地址。

各級運算的地址：把RAM取數(shù)地址和ROM取數(shù)地址對應(yīng)起來。原則是先把1個旋轉(zhuǎn)因子所對應(yīng)的所有數(shù)據(jù)計算完畢再轉(zhuǎn)到下1個旋轉(zhuǎn)因子所對應(yīng)的數(shù)據(jù)上。這樣的話，可以在產(chǎn)生ROM地址的同時產(chǎn)生所有RAM取數(shù)的地址。把二者的地址建立關(guān)聯(lián)之后，可以使RAM數(shù)據(jù)和ROM數(shù)據(jù)嚴(yán)格對應(yīng)起來。

2.4.3 RAM模塊

在256點的FFT中，要進(jìn)行8級蝶算，對全并行的工作方式而言需要8個不同的RAM來存儲各級的中間結(jié)果。其中，第8級的RAM可以作為輸出RAM。再加上前面加窗和倒序的1個RAM，整個系統(tǒng)共需要9個RAM。對于256點的復(fù)數(shù)，把實部和虛部分開共需要512個存儲單元。在某一級的蝶算中，由于信號及運算的延遲，不可能就在256個時鐘之內(nèi)完成本級運算，而下一組的數(shù)據(jù)在256個時鐘之后就要進(jìn)行本級運算并將結(jié)果存儲在該RAM中，這樣就有可能造成數(shù)據(jù)還沒有被完全讀取就被新數(shù)據(jù)覆蓋的沖突。為了確保在全并行工作方式中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確存取，可以把9個RAM都設(shè)置成1024×18 bit的存儲格式，即：把每個RAM分為二部分，地址為0～511的為前半部分，地址為512～l 023的為后半部分，用一個MSB的信號作為地址最高位來控制前后二部分存儲器。當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)進(jìn)行本級運算時，其結(jié)果保存在RAM的前半部分；256個時鐘之后，對MSB求反，并以此控制把第I+1組數(shù)據(jù)進(jìn)行本級運算的結(jié)果寫入RAM的后半部分，此時對第1組數(shù)據(jù)的讀取在前半部分進(jìn)行，互不沖突。Altera的FPGA器件里有豐富的RAM資源，采用雙端口RAM可以很方便地實現(xiàn)上述操作。

2.4.4 ROM模塊

整個模塊共需3個ROM，一個用來存儲Chebyshev窗因子，另外二個分別用來存儲旋轉(zhuǎn)因子的實部和虛部。事先在MATLAB中計算出這些因子，并將它們按照*.mif文件格式輸出。在QuartusⅡ軟件中，例化3個ROM，并把由MATLAB產(chǎn)生的*.mif文件寫入各自ROM的初始化文件中，完成對ROM的初始化工作。

2.4.5 蝶形運算單元

（1）基本蝶形運算單元。把復(fù)數(shù)運算分解為實數(shù)運算之后，每個基本的蝶形運算單元都可由4個乘法器、1個加法器和1個減法器構(gòu)成。其中，乘法器是決定系統(tǒng)運算速度的關(guān)鍵因素。對256點FFT在全并行的工作方式下，最多要求在同一時鐘并行完成33個18x18 bit的乘法運算。而EPlS25系列FPGA有非常豐富的乘法器資源，僅DSP就可以并行完成40個18x18 bit的乘法運算，完全滿足系統(tǒng)的要求。

（2）可化簡的蝶形運算單元。在對各級蝶形進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，第1級和第2級的蝶形經(jīng)過化簡完全可以不用進(jìn)行乘法操作。

第1級只有1個旋轉(zhuǎn)因子won，其實部為1、虛部為O，代入基本蝶形運算單元化簡之后可得：

mx1=xl+x2；my1=yl+y2

mx2=x1-x2；my2=y1-y2

其中：x1、x2為輸入數(shù)據(jù)實部，y1、y2為輸入數(shù)據(jù)虛部，mx1、mx2為變換之后的數(shù)據(jù)實部，my1、my2為變換之后的數(shù)據(jù)虛部。

第2級有2個旋轉(zhuǎn)因子，won和w64n，對won可以沿用第一級的簡化方法。

對于w64n，其實部為0、虛部為-l，代入基本蝶算單元化簡之后可得：mx1=x1+y2；my1=y1+x2；mx2=x1-xz；my2=y1+x2這樣，總共8級的蝶形運算有2級可以不用乘法器和存儲旋轉(zhuǎn)因子的ROM，節(jié)省了25％的乘法器和ROM資源。

2.5 誤差的分析與控制

對FPGA而言，采用浮點運算帶來的硬件開銷太大。而如果采用文獻(xiàn)［3］所提出的塊浮點防溢出方案，在每一級蝶形運算結(jié)束之后，都需要找出該級計算結(jié)果中的最大值來判斷溢出的狀態(tài)，并以此確定進(jìn)行下一級運算時每個數(shù)據(jù)需要移位的位數(shù)。這對全并行的工作方式而言，意味著每一級數(shù)據(jù)都會帶來更大的延遲，影響整個運算的速度。而對定點運算而言，雖然存在有限字長效應(yīng)的影響，但是，只要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊莆惶幚砭涂梢苑乐挂绯觯辉跀?shù)據(jù)舍棄時，進(jìn)行類似4舍5入的運算就可以有效的控制誤差。在綜合考慮之后，系統(tǒng)采用定點運算方案。在定點運算中，誤差主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）乘法截斷誤差。2個18位的數(shù)據(jù)相乘得到36位的積，把該積舍入為18位就會產(chǎn)生誤差。由于來自零中頻的18位數(shù)據(jù)實際表征的是模值不大于‘1’的復(fù)小數(shù)，所以相乘不會產(chǎn)生溢出。去掉次高位多余的符號位并截去后17位。當(dāng)被截去的各位是‘1’的時候，誤差最大；被截去的各位為‘O’時，沒有誤差。對被截去的部分作類似4舍5入的處理，第20位為‘1’則向上進(jìn)位，為‘O’則直接舍去，可以有效減小誤差。

（2）加減法溢出誤差。2個18位的數(shù)據(jù)相加減得到19位的結(jié)果，在進(jìn)行下一級運算之前，必須舍去l位，對舍棄的這l位也進(jìn)行上述的4舍5入運算。2個小數(shù)的加減運算而言，把結(jié)果全部右移1位就可以防止溢出。

3、波形仿真與性能分析

波形仿真選用的輸入信號為

x（n）=Xxexp［j×（03+2x127xnxπ）/256］

式中。X根據(jù)測試的需要分別取18 bit信號的最大值和達(dá)到80 dB信噪比所需的最小值13，n的取值范圍為0：255。設(shè)計工具選用VHDL93版硬件描述語言，在QuartusⅡ4.1平臺上進(jìn)行邏輯綜合和時序分析，把仿真結(jié)果保存為*.tbl文件格式。在MATLAB中，讀取*.tbl文件，并與MATLAB的計算結(jié)果進(jìn)行比較。由于8級運算都作了右移1位的處理，所以實際結(jié)果比用MATLAB的計算結(jié)果縮小256倍。把MATLAB的計算結(jié)果縮小256倍與0uartusⅡ4.1的計算結(jié)果比較，如圖4所示。圖中，左上圖為原始序列，右上圖為用MATLAB計算的結(jié)果，右下圖為用FPGA計算的實際結(jié)果。在左下圖中，把二個結(jié)果進(jìn)行局部放大，MATLAB的計算結(jié)果用實線表示，Quartus4.1的仿真結(jié)果用“+”表示?？梢钥闯龆M結(jié)果的吻合性非常好，驗證了程序的正確性。仿真采用60 MHz系統(tǒng)主頻，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后（經(jīng)過38.34μs），每完成1次256點FFT所用時間為4.26μs。對EPlS25器件資源占用情況為：邏輯單元使用15％，內(nèi)部存儲器使用18％，專用DSP使用62.5％。雖然專用DSP塊使用較多，但是邏輯單元使用得很少，可以用邏輯單元來構(gòu)成18x18的乘法器和專用DSP一起完成更多的并行乘法運算。這說明系統(tǒng)還具有很好的可擴(kuò)展性，要完成更多點數(shù)的FFT，只需增加相應(yīng)蝶形運算的級數(shù)即可。

從結(jié)果可以看出，由于運算中采用有效措施防止誤差和溢出，在最大數(shù)據(jù)運算時沒有溢出，而且最終運算結(jié)果的誤差小于10-9。在用達(dá)到80 dB信噪比所需最小數(shù)據(jù)進(jìn)行運算時，也有很好的分辨率。

4、結(jié)束語

本文討論了微波接力機(jī)中FFT模塊的設(shè)計與實現(xiàn)過程。全部電路設(shè)計已經(jīng)過功能仿真、邏輯綜合、時延分析并成功下載到FPGA中投入實踐應(yīng)用。實踐應(yīng)用表明用Stratix系列FPGA實現(xiàn)FFT的速度快、穩(wěn)定性高、易于擴(kuò)展。在微波接力通信，特別是在接力機(jī)對窄帶干擾快速識別的應(yīng)用中有很大的優(yōu)越性。

責(zé)任編輯：gt