目 錄
中文摘要…………………………………………………………………………………………1
1 緒論…………………………………………………………………………………………1
1.1 EDA技術及其發展簡介 ………………………………………………………………2
1.2 可程式邏輯器件 ………………………………………………………………………3
1.3 DSP技術及其應用簡介…………………………………………………………………4
1.4 兩類DSP解決方案的比較………………………………………………………………5
2 FPGA設計簡介 ……………………………………………………………………………7
2.1 工具的選擇 ……………………………………………………………………………7
2.2 Quartus II設計實現流程…………………………………………………………………9
2.2.1 建立工作庫資料夾和編輯設計檔案…………………………………………………9
2.2.2 建立工程 …………………………………………………………………………9
2.2.3 編譯前設定 ………………………………………………………………………10
2.2.4 全程編譯 …………………………………………………………………………11
2.2.5 時序模擬 …………………………………………………………………………12
2.2.6 應用RTL電路圖觀察器……………………………………………………………13
2.3 FPGA的結構和原理 …………………………………………………………………14
3 FFT的FPGA實現 ………………………………………………………………………15
3.1 引言 ………………………………………………………………………………15
3.2 FFT的基本概念 ………………………………………………………………………15
3.2.1 FFT的推導 ………………………………………………………………………15
3.2.2 演算法種類 …………………………………………………………………………17
3.2.3 DIT—FFT演算法……………………………………………………………………19
3.2.4 運算量的比較 ……………………………………………………………………23
3.2.5 原位計算和碼位倒讀………………………………………………………………24
3.3 FFT部分模組的FPGA實現 …………………………………………………………24
3.3.1 單級蝶形運算模組…………………………………………………………………24
3.3.2 蝶形因子的模擬實現………………………………………………………………27
４ 結論 ………………………………………………………………………………………28
參考文獻 ………………………………………………………………………………………28
英文摘要 ………………………………………………………………………………………29
致謝 ……………………………………………………………………………………………29
附錄 ……………………………………………………………………………………………30
基於FPGA的FFT處理器的研究
摘要：快速傅立葉變換FFT是訊號分析與處理中的重要變換DFT的快速演算法，隨著電子器件和訊號處理技術的.發展，這種變換必將得到更為廣泛的研究和應用。本文討論了1種基於FPGA的FFT處理器，並設計了FFT的部分模組。結合高速、實時快速傅立葉變換（FFT）的實際需求,在分析了基２、按時間抽取（DIT）FFT演算法的基礎上,採用多級序列的同步流水線結構,利用現場可程式門陣列（FPGA）完成8點FFT。該結構採用了基於流水線結構和快速並行乘法器的蝶形處理器。乘法器採用基2演算法，以8點複數FFT為例項設計相應的控制電路。此FFT結構使用VHDL語言完成了部分模組的設計，用Quartus II軟體進行了模擬和驗證。結果表明,利用FPGA實現複雜的數字訊號處理(DSP)演算法是完全可行的，且在此基礎上易於擴充套件為大點數FFT運算結構。
關鍵詞：現場可程式門陣列；快速傅立葉變換；蝶形處理器；按時間抽取FFT演算法
Based On FPGA
Abstract: With the developments of electronic technology, the FFT, a high-speed algorithm of DFT which is an important transform of the signal analyzing and processing, will be applied broadly. The research of FFT Processor based on FPGA is discussed and the part of FFT Processor module is designed in this paper. This paper is dedicated to the description of design and implementation of a high speed and real-time FFT processor with FPGA. Synchronously pipelined architecture which is based on FFT Algorithm of Radix 2 and DIT(decimation in time) is utilized to achieve high throughput. This FFT Architecture is based on a butterfly processor which employs pipeline architecture and fast parallel multiplier. A control unite is designed for 8 points complex number FFT. The FFT structure is written in VHDL, synthesized in FPGA, and proceeded simulation and validation based on the software Quartus II. An example demonstrates that the high-performance FPGA is suitable for complicated digital signal processing, and this FFT structure is easy to expand more points FFT structure.
Keywords: FPGA; FFT; butterfly processor; DIT-FFT
1 緒論
眾所周知，訊號與訊號處理是資訊科學中近10幾年來發展最為迅速的學科之1。而現場可程式門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）正處於革命性數字訊號處理的前沿。全新的FPGA系列正在越來越多地替代專用積體電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）和可程式數字訊號處理器PDSP（Programmable Digital Signal Processor）用作前端數字訊號處理的運算。FPGA具有許多與ASIC相同的特點，如：在規模、重量和功耗等方面都有所降低。而且吞吐量更高、能夠更好的防止未授權複製、元器件和開發成本進1步降低，開發時間也大大縮短。還具有線上路中可重複程式設計的特性。從而可以產生更為經濟的設計。正如我們現在已經看到的，隨著FPGA在數字訊號處理中的大規模應用，正在日漸深入地影響我們的生產和生活，也必將在這1領域引起深刻的變革。
DFT是訊號分析與處理中的1種重要變換。因直接計算DFT的計算量與變換區間長度的平方成正比，當 較大時，計算量太大，所以在FFT出現以前，直接用DFT演算法進行譜分析和訊號的實時處理是不切實際的。
直到1965年ey和y對DFT提出了1種快速、通用的演算法，稱之為快速傅立葉變換（FFT，Fast Fourier Transform），也稱為“庫利—圖基（Cooley-Tukey）演算法”。使得DFT得到了廣泛的應用，並推動了數字訊號處理技術的迅速發展。FFT不是1種新的變換，而僅是DFT的快速演算法。他使訊號的實時處理和裝置的簡化得以實現。FFT的應用非常廣泛，比如應用在訊號的頻譜分析、訊號的濾波、快速卷積等方面。從此，離散時間系統的研究與應用在許多方面取代了傳統的連續時間系統，20世紀70年代初，國外市場就已經開始出售FFT的專用硬體，現在FFT處理機已成為相當普通的計算機外圍裝置。
本文就是基於以上原因，進行基於FPGA的FFT處理器的研究。先在第1章簡單介紹了當前的EDA技術的概況，以及我們需要用到的FPGA技術的概況和用於設計的元器件和工具的DSP系統的技術發展概況，並對DSP實現的方式進行了比較，選擇了適合我們的方式。第2章主要介紹FPGAThe Research Of FFT Processor
