基于FPGA的高速卷積硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，離散時(shí)間系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，可以直接由輸入信號(hào)與系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)的離散卷積得到。離散卷積在電子通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果直接在時(shí)域進(jìn)行卷積，卷積過(guò)程中所必須的大量乘法和加法運(yùn)算，一定程度地限制了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，不能滿(mǎn)足時(shí)效性強(qiáng)的工程應(yīng)用。本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，使用快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)，探討卷積的高速硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 卷積算法的原理

設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為h(n)，則沖激響應(yīng)和輸入δ(n)之間有關(guān)系

假設(shè)該系統(tǒng)的輸入為x(n)，輸出為y(n)，則根據(jù)線性時(shí)不變系統(tǒng)的定義，有

根據(jù)式(3)，線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出信號(hào)可以由輸入信號(hào)與單位沖激響應(yīng)的卷積求得。實(shí)際應(yīng)用中，x(n)與y(n)的序列長(zhǎng)度均為有限的，假設(shè)均為N，顯然，求出N點(diǎn)的y(n)需要N2次復(fù)數(shù)乘法，當(dāng)序列長(zhǎng)度大時(shí)，所需計(jì)算量是龐大，在需要實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)中，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

將M點(diǎn)序列x(n)，L點(diǎn)序列h(n)分別作擴(kuò)展，構(gòu)造新的序列x’(n)，h’(n)，使得長(zhǎng)度N滿(mǎn)足如下條件

根據(jù)時(shí)域循環(huán)卷積定理，x(n)與h(n)的線性卷積可以用循環(huán)卷積來(lái)代替。即

根據(jù)式(9)，給出了一種基于快速傅里葉變換(FFT)的卷積的實(shí)現(xiàn)方法，如圖1所示。分別對(duì)補(bǔ)零后的z(n)和h(n)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的頻域響應(yīng)X(k)和H(k)，將X(k)和H(k)相乘的結(jié)果再做IFFT，即可以得到x(n)和h(n)的卷積結(jié)果y(n)。

2 基于FPGA的高速卷積的實(shí)現(xiàn)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段FFT硬件實(shí)現(xiàn)的方法主要有ASIC，DSP和FPGA這3類(lèi)。專(zhuān)用FFT處理芯片ASIC，例如PDSPl6510，這類(lèi)芯片的主要特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單。但是由于此類(lèi)ASIC處理點(diǎn)數(shù)有限，實(shí)現(xiàn)大點(diǎn)數(shù)FFT時(shí)，需要多芯片并行工作，會(huì)導(dǎo)致所需的配套控制復(fù)雜、存儲(chǔ)芯片較多，加大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。使用DSP，如TMS320DSP6416，控制程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但由于DSP的串行式軟件工作機(jī)理，當(dāng)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，處理速度難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。使用FPGA實(shí)現(xiàn)FFT功能，其并行處理機(jī)制允許FFT運(yùn)算過(guò)程中使用流水線的形式，大大提高處理速度，而且隨著技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)FT IP核技術(shù)日臻完善，使得基于FFT IP核的系統(tǒng)在速度、靈活性等方面均展現(xiàn)出優(yōu)越性。本文使用Altera公司的StraTIx II系列芯片EP2S60實(shí)現(xiàn)線性卷積的功能。

Stratix II是Altera公司生產(chǎn)的一款高性能FPGA器件。它采用臺(tái)積電的90 nm工藝技術(shù)生產(chǎn)，等效邏輯單元(LE)最高可達(dá)180 kB，嵌入式存儲(chǔ)器容量最高可達(dá)9 MB。該器件不但具有較高的性能和密度，而且還針對(duì)器件總功率進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)可以支持高達(dá)l Gb/s的高速差分I/O信號(hào)，因而是一款高性能的FPGA。該芯片中所含的高性能嵌入式DSP塊的運(yùn)行頻率高達(dá)370 MHz。另外Stratix II還有12個(gè)可編程PLL，并具有完善的時(shí)鐘管理和頻率合成能力，能滿(mǎn)足高性能系統(tǒng)的需求。

EP2S60集成了60 440個(gè)等效邏輯單元(LES)，內(nèi)嵌M512 RAM模塊329個(gè)，M4K RAM模塊255個(gè)，M-RAM模塊2個(gè)，總存儲(chǔ)單元2 544 192 bit，并集成了DSP模塊36個(gè)、18 bit×18 bit嵌入式硬件乘法器144個(gè)，含有2個(gè)增強(qiáng)性鎖相環(huán)和8個(gè)快速鎖相環(huán)，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。

3 FFT IP核的實(shí)現(xiàn)方法

為了節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，加速產(chǎn)品的投放，本文使用Ahera提供的FFT IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT和IFFT功能。Ahera FFT IP核函數(shù)是一個(gè)高性能、參數(shù)化的快速傅里葉變換(FFT)處理器，完全支持Ahera的FPGA系列?？梢酝瓿勺儞Q長(zhǎng)度為2m(6≤m≤14)的基2、基4按照頻率抽選的高性能復(fù)數(shù)FFT以及逆FFT運(yùn)算。

FFT IP核支持3種數(shù)據(jù)流模式，流模式(streaming)、緩沖突發(fā)模式(Buffered Burst)、突發(fā)(Burst)模式。并可以參數(shù)化設(shè)置變換點(diǎn)數(shù)和FFT或IFFT轉(zhuǎn)換方向。表l給出了FFT在Stratix II系列FPGA上使用流模式(Streaming)的性能。