基于FPGA的專用信號處理器設(shè)計和實現(xiàn)

摘　要：本文介紹基于FPGA、用VHDL語言編程實現(xiàn)矢量脫靶量測量專用信號處理器的方法。有效利用FPGA片內(nèi)硬件資源，無需外圍電路，高度集成，實現(xiàn)了對復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進行去直流、加窗、512點FFT和求模平方運算。
關(guān)鍵詞：512點FFT；FPGA；蝶形運算

前言
矢量脫靶量測量系統(tǒng)中，信號處理電路模塊的主要任務(wù)是完成目標檢測、數(shù)據(jù)存儲以及給其它單元控制信號。系統(tǒng)所進行的目標檢測需要計算信號的功率譜，所以先要對采集到的多通道(8路)數(shù)據(jù)按512點為一幀，作FFT處理，得到其頻譜。為了監(jiān)測接收機工作狀態(tài)，需要在頻域用恒虛警的方法，判斷各路接收通道是否正常。除此之外，還需要對數(shù)據(jù)進行去直流、加窗的初始化處理，F(xiàn)FT結(jié)果再進行求模平方、累加運算，結(jié)果以FIFO輸出。
選擇用FPGA完成上述功能有諸多優(yōu)點。首先，F(xiàn)PGA實現(xiàn)FFT運算是硬件處理，采用多個硬件乘法器、加法器，運算周期短，加上內(nèi)部集成的大量塊RAM可高速訪問，所以速度大大提高。其次，F(xiàn)PGA片內(nèi)邏輯資源豐富，可用的寄存器、鎖存器、查找表和多路數(shù)據(jù)選擇器等，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件流水結(jié)構(gòu)。這樣多種運算可同時流水進行，減少了中間等待時間，整體速度大幅提高。再次，用硬件處理數(shù)據(jù)時延固定，可準確預(yù)測。
當然，F(xiàn)PGA也有不足。在FPGA內(nèi)設(shè)定的數(shù)據(jù)長度相對固定，不夠靈活，如果為實現(xiàn)高精度而采用浮點運算，則設(shè)計復(fù)雜，速度會降低，而且硬件開銷大。用“塊浮點”算法，可以很好地兼顧高速和高精度，并且硬件實現(xiàn)和控制相對簡單，彌補了FPGA這一不足。

各運算單元算法和實現(xiàn)
如圖1所示，信號處理器共包括4大部分：去直流、加窗的預(yù)處理單元，F(xiàn)FT運算單元，模平方累加與檢測單元，F(xiàn)IFO輸出單元。每個單元都分配有存儲器來存儲中間結(jié)果，它們是由FPGA中的塊RAM生成的，不占用邏輯資源，而且訪問快速。
預(yù)處理單元
如圖2所示，預(yù)處理單元首先讀入控制單元，在收到啟動信號后，產(chǎn)生讀信號和讀地址，讀取外部數(shù)據(jù)到內(nèi)部存儲器R、I，同時數(shù)據(jù)送入累加單元求和，移位后得到平均值，也就是直流分量。然后，在讀取數(shù)據(jù)完畢時，讀入控制單元啟動加窗運算控制單元，讀取原始數(shù)據(jù)和窗函數(shù)，這時原始數(shù)據(jù)減掉直流分量后，與窗函數(shù)相乘，就得到去直流和加窗后的結(jié)果，為FFT單元作好準備。
FFT運算單元
如圖3所示，F(xiàn)FT運算單元主要包括蝶形運算、讀寫控制、塊浮點運算、數(shù)據(jù)存儲R、I和旋轉(zhuǎn)因子存儲單元。以下分別介紹。
蝶形運算單元
時域抽樣(DIT)的基-2蝶型運算算法可以表示為：
 
其中復(fù)乘運算可表示為：

 
由蝶形運算算法公式可以看出一個基-2蝶形運算要進行一個復(fù)乘、兩個復(fù)加。由復(fù)乘運算公式可知：若在一個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)復(fù)乘，需4個實數(shù)乘法器和2個實數(shù)加法器。因為這里采用的是Xilinx公司的VirtexII系列FPGA，內(nèi)部有硬件乘法器，不占用邏輯資源，因此為了簡化結(jié)構(gòu)和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用4乘法器的直接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)(見圖4)。
讀寫控制
FFT讀寫控制單元負責(zé)產(chǎn)生FFT運算過程、各個階段RAM的讀寫信號和地址信號，以保證各級運算數(shù)據(jù)的正確調(diào)用和存儲。此外，還需要協(xié)調(diào)各部分的時序關(guān)系。因為按時間抽取的FFT是混序，在實際運算中，直接將輸入數(shù)據(jù)按原位運算要求的“亂序”存放是很不方便的。因此總是按自然順序?qū)⑤斎胄蛄写嫒氪鎯卧偻ㄟ^變址運算將自然順序變換成按時間抽取的FFT算法要求的順序。變址過程可以用程序安排加以實現(xiàn)。計數(shù)器順序計數(shù)(0~511)，將計數(shù)器的最低位(第‘0’位)取反后，對應(yīng)位進行交換，就能產(chǎn)生每一級的數(shù)據(jù)讀取地址。同樣的，旋轉(zhuǎn)因子的地址是由計數(shù)器地址交換后，特定位置零產(chǎn)生的。由于采用原位運算，每級蝶形運算的寫地址和抽取地址完全相同。
塊浮點
塊浮點由“溢出檢測”和“指數(shù)累加器”組成。如果輸入蝶形單元中的數(shù)據(jù)的實部和虛部是16比特，那么輸出數(shù)據(jù)實部和虛部最大溢出是2比特。所以，每一級蝶形運算中，“溢出檢測”根據(jù)輸出數(shù)據(jù)的高三位(最高位是符號位)就可以判斷溢出情況，由此決定下一級蝶形運算時，如何選擇上一級18位結(jié)果數(shù)據(jù)中的16位進入蝶形單元。溢出的位數(shù)由指數(shù)累加器累加，最后決定FFT運算結(jié)果的指數(shù)位。
數(shù)據(jù)存儲
FFT運算單元先讀取預(yù)處理結(jié)果的實部、虛部，送入蝶形運算單元。第一級結(jié)果也會分成實部、虛部存儲在本單元的數(shù)據(jù)存儲器中。此后每一級都進行原位操作，最終的結(jié)果也存于這兩片RAM中。旋轉(zhuǎn)因子事先單獨存儲在一片512