基于FPGA的64点FFT处理器设计——优化运算与存储

"该文档是广东工业大学硕士研究生任炳宇的学位论文，主题是基于FPGA的64点FFT处理器设计。论文探讨了在数字信号处理中，离散傅里叶变换（DFT）的重要性和快速傅里叶变换（FFT）的效率提升。研究重点在于使用FPGA硬件实现64点FFT，选择了基-4算法，并对蝶形运算单元、控制单元和存储单元进行了优化设计，以提高运算速度和降低复杂度。通过EDA工具完成了RTL编码、仿真、逻辑综合和布局布线等步骤，最终实现了能在40MHz外部时钟频率下，2微秒内完成64点FFT定点运算的处理器。" 本文主要涉及以下知识点： 1. **离散傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT）**：DFT是时域和频域转换的基础，但计算量大；FFT算法则通过简化运算过程，降低了DFT的计算复杂度，广泛应用于各种领域。 2. **FFT算法实现方式**：包括软件实现和硬件实现。硬件实现如ASIC、FPGA、DSP和通用处理机等，其中FPGA因其可编程性和灵活性，成为实现FFT的流行选择。 3. **基于FPGA的64点FFT处理器设计**：选择基-4 FFT算法，因为它在运算量和控制复杂度上有优势。处理器设计包括优化的蝶形运算单元、控制单元和存储单元。 4. **蝶形运算单元**：是FFT的核心，由乘法器和加法器组成。乘法器是关键，其速度直接影响处理器性能。文中提到8x16乘法器用于8位数据的FFT运算，采用定点数运算，并考虑了虚增长现象。 5. **加法器设计**：使用进位选择加法器以提高速度和效率，解决进位传播问题，选择合适的进位策略以优化运算。 6. **存储单元**：在64点FFT中，采用乒乓型分时共享模式的RAM，允许存储和运算同时进行，减少RAM需求，但增加了地址发生器和控制的复杂性。 7. **设计流程与验证**：通过EDA工具进行RTL编码、功能仿真、逻辑综合、静态时序分析和自动布局布线。经过ModelSim仿真，证明在40MHz时钟频率下，处理器能在2微秒内完成64点FFT运算。 8. **性能评估**：FPGA实现的64点FFT处理器具有快速运算速度，适合处理高速实时信号。 关键词：基-4 FFT算法、FPGA、FFT处理器、蝶形运算、64点FFT。