基于FPGA的64点FFT处理器设计及其在数字信号处理中的应用

"数字信号处理的发展及应用-基于FPGA的64点FFT处理器设计" 本文主要探讨了数字信号处理（DSP）的原理、发展及应用，并聚焦于基于FPGA的64点快速傅里叶变换（FFT）处理器设计。数字信号处理是一种利用计算机或专门的信号处理设备对输入信号进行数字化处理的技术，它涵盖了信号的采样、变换和综合等一系列操作。数字信号处理系统通常包括模拟到数字转换、数字处理和数字到模拟转换三个主要步骤。 在数字信号处理系统中，前置滤波器用于消除高频分量，模拟到数字转换器负责将连续的模拟信号转化为离散的数字信号。接着，数字信号处理器执行预定义的算法对信号进行处理，最后通过数字到模拟转换器将结果转换回模拟信号，经过模拟滤波器以去除不需要的频率成分。这种流程在图1．1中得到了可视化展示。 数字信号处理自20世纪60年代起随着信息技术和计算机技术的进步而迅速发展，70年代以来，由于计算机、集成电路和微处理器技术的飞速发展，其应用领域日益扩大，涵盖图像处理、语音识别、通信、雷达、天文、医学等多个领域。尤其是在数字图像处理中，离散傅里叶变换（DFT）作为一种基本的时域和频域转换运算，起到了关键作用。然而，DFT的运算量大限制了其实际应用，快速傅里叶变换（FFT）的出现解决了这一问题，使得DFT的计算效率显著提升。 FFT的实现方式有两种：软件实现和硬件实现。软件实现虽简单，但速度较慢，因此硬件实现成为首选，包括ASIC、FPGA、DSP和通用处理器等方法。本文选择了基于FPGA的硬件实现，具体设计了一个64点FFT处理器。在深入理解FFT理论的基础上，选择了频率抽取的基-4算法，因为它在运算量和控制复杂度之间找到了平衡。优化的蝶形运算单元设计提高了运算速度，降低了复杂度，同时配合控制单元和存储单元实现了整个FFT运算流程。 使用FPGA设计流程，包括RTL编码、功能仿真、逻辑综合、静态时序分析和自动布局布线等步骤，设计出的FFT处理器在40MHz外部时钟频率下，能在2μs内完成64点序列的定点FFT运算，证明了其高速实时处理能力。因此，FPGA实现的64点FFT处理器在处理高速信号时表现出高效性能，为实时信号处理提供了有力支持。 关键词：基-4 FFT算法，FPGA，FFT处理器，蝶形运算，64点FFT 本硕士学位论文作者任炳宇在广东工业大学攻读信号与信息处理专业，导师为战荫伟教授，于2009年5月1日完成。