（通信与信息系统专业论文）基于fpga的高速fft处理器的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g e o fi n f o r m a t i o ns c i e n c e t e c h n o l o g y r e s e a r c ho nah i g hs p e e df f t p r o c e s s o r w i t hf p g a a t h e s i si n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m b y x i ec h o n g a d v i s e d b y p r o fz h e n gb u s h e n s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 、k 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： ， i ， k 基于f p g a 的高速f f t 处理器的研究 a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi so n eo ft h es u b j e c t se x p a n d i n gr a p i d l yi nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o n s c i e n c ed u r i n gt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e s a tp r e s e n t ，i th a sa p p l i e de x t e n s i v e l yi nm a n ys u b j e c t ss u c h a sc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r ，s o n a r ，s p e e c ha n di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，p r o g r a m m i n gd s pf o r g e n e r a lp u r p o s e ，a s i ca n dd s pc h i p s e tw i t hi n v a r i a b l ef u n c t i o nf o rs p e c i a lp u r p o s e ，f p g at h a tc a n b ep r o g r a m m e db yu s e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ， r e a l i z i n gd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gw i t hf p g ad e v e l o p sr a p i d l y ， m o r ea n dm o r e ，f p g ai su s e di nt h ea r i t h m e t i co f f f o n t - e n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi np l a c eo f a s i ca n dd s p t h et h e o r yo f 同f 1 ra l g o r i t h mh a sb e i n gm a t u r e t i m i n gc o n t r o li sa d i f f i c u l t ya n dk e yt o i m p l e m e n tt h eh 叮，w h i c hs h o u l dm a k et h ew h o l es y s t e mw o r kc o o r d i n a t e l y ，a l s om u s ta c c o r dw i t t l s p e e d f f ti pc o r eh a sb e e nd e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e db yi n t e r n a t i o n a lf a m o u sf p g as u p p l i e r w h i c hh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eb u ti t sp r i c ei sh i g h i no u rc o u n 打y ，m a n yc o m p a n i e sa n d a c a d e m ya l s oc o n c e n t r a t eo nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb a s e do nf p g a ，g a ps t i l le x i s t sc o m p a r i n g t h ep e r f o r m a n c ea n ds p e e da l t h o u g hp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n th a sb e e nm a d e t h i ss u b j e c ti s r e q u e s t e dt ou s ex i l i n xf p g at od e s i g nah i g h - s p e e df f tp r o c e s s o rf o ras a re c h os i g n a ls i m u l a t o r f i r s t ，t h ep a p e re l a b o r a t e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dp r i n c i p l eo f f f t t h e ni tc o m p a r e st h ed i f f e r e n c ea m o n gt h ed i f f e r e n ta l g o r i t h ma n ds e l e c t st h ed i tr a d i x - 4 a l g o r i t h mt od e s i g nt h ef f rp r o c e s s o r o nt h i sb a s i s ，c o m b i n a t i o no fb u t t e r f l yf l o wd i a g r a m ，i t d i s c u s s e ss e v e r a ld i f f e r e n th a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h ef f t p r o c e s s o r ：s e q u e n c es t r u c t u r e 。p i p e l i n e d s t r u c t u r e ，p a r a l l e la r c h i t e c t u r e ，a r r a ys t r u c t u r e ，c a s c a d es t r u c t u r e i td e s i g n sa ni m p r o v e dc a s c a d e s t r u c t u r et o i n t e g r a t es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dh a r d w a r er e s o u r c e s t h ec o m p l e xm u l t i p l i e ri n t r a d i t i o n a lf f rp r o c e s s o ri ss u b s t i t u t e db yt h ex t r e m e d s ps l i c eo fv i r t e x - 4 t h i sm o d u l ew o r k sa t 5 0 0m h z f r e q u e n c y i tc a nc a l t yo nt h eh i g hs p e e dm u l t i p l i c a t i o nc o m p u t a t i o n t h er a d i x - 4b u t t e r f l y u n i ta d o p t s3l e v e l sp i p e l i n es t r u c t u r ea n d4p a r a l l e ld a t aa r eu s e di nf 丌p r o c e s s o r t h ee n t i r ec o r e m o d u l ea p p l i e st h ec o m b i n a t i o no fp i p e l i n ea n dp a r a l l e la r c h i t e c t u r e b e t w e e no n es t e pt oa n o t h e r ， t h er e c e i v e rb l o c ka p p l i e st h es t r u c t u r eo fp i n g p a n gr a m t h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw i t hv e r i l o g b a s e do nf s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) ，w h i c hc o n t r o l se f f e c t i v e l ym e m o r i e s ，b u t t e r f l y - c a l c u l a t i o n a n dr o m f i n a l l y ，t h e2 5 6 - p o i n tf f ti ss i m u l a t e d s i m u l a t i o ns h o w st h ec a l c u l a t i o ns p e e da n dt h e r e s u l t sb a s i c a l l yr e a c ht h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m k e y w o r d s ：f p g a ；f f t ：x t r e m e d s ps l i c e ；r a d i x - 4 ：p i p e l i n e i i i 1 2 相关技术的发展和研究现状3 1 2 1f f t 算法的研究现状3 1 2 2f f t 处理器的研究现状3 1 3 论文工作5 1 4 论文的组织结构5 第二章可编程逻辑器件基础6 2 1 可编程逻辑器件概述6 2 1 1 可编程器件简述6 2 1 2p l d 开发工具7 2 2f p g a 芯片的结构7 2 2 1f p g a 的工作原理7 2 2 2 芯片结构9 2 3f p g a 的开发流程1 2 2 4x i l i n x 公司器件v i t c x - 4 1 3 2 5 硬件描述语言1 4 第三章快速傅立叶变换1 7 3 1 离散傅立叶变换原理17 3 2 离散傅里叶变换算法分析1 8 3 2 1 基2f f t 算法1 8 3 2 2 基4f f t 算法1 9 3 2 3 基8f f t 算法2 1 3 2 4 库利图基( c o o l e y - t u k e y ) 混合基算法2 1 3 2 5 分裂基算法2 2 3 2 6 其他f f t 算法2 4 3 3f f t 算法的比较与选择2 4 3 4f f t 运算中的数据表示与溢出控制2 7 第四章f f t 处理器电路设计2 9 4 1f f t 处理器的基本结构2 9 4 1 1 顺序处理递归结构2 9 4 1 2 并行迭代结构。3 0 4 1 3 阵列结构3 l 4 1 4 级联结构3 2 4 2f f t 处理器的硬件电路设计3 3 4 3f f t 处理器的各模块实现3 4 4 3 1r a m 存储器设计3 4 基于f p g a 的高速f f t 处理器的研究 4 3 2 乒乓存储单元3 7 4 3 3 旋转因子存储单元3 8 4 3 4 蝶形运算处理单元4 2 4 3 4 1x t r e m e d s p 模块4 2 4 3 4 2 全流水线型1 6 x1 6 高速乘法器的设计4 3 4 3 4 3 蝶形单元结构4 5 4 3 5 地址发生器设计4 6 4 3 5 1r a m 地址发生器设计4 7 4 3 5 2r o m 地址发生器设计5 0 4 3 6 控制器的设计5 1 第五章f f t 的f p g a 实现与仿真5 4 5 1 蝶形运算单元的实现与仿真5 4 5 2f f t 处理器的仿真结果和分析6 2 5 - 3f f t 处理器性能分析6 5 第六章结束语6 7 6 1 本文的工作总结6 7 6 2 展望6 7 参考文献6 9 致谢7 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 3 南京航空航天大学硕士学位论文 图、表清单 图2 1 可编程器件的分类一7 图2 24 输入与门8 图2 3f p g a 芯片的内部结构9 图2 4 典型的i o b 内部结构示意图1 0 图2 5 典型的c l b 结构示意图1 1 图2 6 典型的4 输入s l i c e 结构示意图1 l 图2 7f p g a 开发的一般流程1 3 图3 1 蝶形运算单元18 图3 28 点运算流图1 9 图3 3 基4 蝶形单元运算流图2 0 图3 41 6 点基4 流图2 0 图3 5 分裂基f 1 可算法的第一级流图一2 3 图3 6 分裂基f f t 算法的一个基本蝶形运算一2 3 图3 7 分裂基的结构2 3 图4 1 递归结构2 9 图4 2 单内存型3 0 图4 3 双内存型3 0 图4 4 并行结构3 l 图4 5 阵列结构3 2 图4 6 级联结构3 2 图4 7f f t 处理器的结构3 4 图4 8r a mi p 核配置图3 6 图4 9r a m 模块图3 6 图4 1 0r a m 模块仿真图3 7 图4 1 l 乒乓存储结构图3 7 图4 1 2 乒乓r a m 模块图3 8 图4 1 3 内部结构图3 8 图4 1 4 乒乓存储器仿真图3 8 图4 1 5m a t l a b 程序4 0 图4 1 6m a t l a b 计算结果4 0 图4 1 7 生成的旋转因子4 0 图4 18r o m 配置第一步4 1 图4 1 9r o m 配置最后一步4 l 图4 2 0r o m 模块仿真波形图4 2 图4 2 1d s p 4 8s l i c e 结构4 3 图4 2 2 由两个d s p 4 8s l i c e 组成的d s p4 8 t i l e 4 4 图4 2 31 6 x 1 6 乘法器虚部计算结构4 5 v 基于f p g a 的高速f f t 处理器的研究 图4 2 41 6 x 1 6 乘法器实部计算结构4 5 图4 2 5 蝶形单元结构4 6 图4 2 6 蝶形单元处理器结构4 6 图4 2 7 第一级r a m 地址发生器4 8 图4 2 8 第二级r a m 地址发生器4 9 图4 2 9 第三级r a m 地址发生器4 9 图4 3 0 第四级r a m 地址发生器。4 9 图4 3l 输出级r a m 地址发生器5 0 图4 3 2m o o r e 型有限状态机5 2 图4 3 3m e a l y 型有限状态机5 2 图5 1d s p 4 8 模块5 4 图5 2 实部输出模块5 8 图5 3 虚部输出模块5 9 图5 4 实部总体结构图5 9 图5 5 虚部总体结构图5 9 图5 6 实部仿真图6 0 图5 7 虚部仿真图6 0 图5 8 蝶形单元r t l 级电路图6 1 图5 9 蝶形单元仿真图6 1 图5 1 0f f t 整体模块图6 2 图5 1 1m 棚，a b 输入程序6 3 图5 1 2m a t l a b 计算结果6 3 图5 1 3 输入数据x 6 3 图5 1 4 经过f f t 变换的虚部输出6 3 图5 1 5 经过f f t 变换的实部输出6 4 图5 1 6f f t 变换仿真波形“ 表1 1f p g a 与d s p 处理器运算速度的比较2 表2 1 实际逻辑电路与l u t 的比较8 表2 2v i r t e x - - 4 系列f p g a 主要技术特征1 4 表3 1 运算量与变换点数n 的关系2 5 表3 2 各算法的实数乘法和实数加法次数2 5 表3 3 数的表示。2 8 表4 1 第一级r a m 顺序4 8 表4 22 5 6 点旋转因子变化规律5 0 表5 1d s p 4 8 s i i c e 端口列表和定义5 5 表5 2f f t 处理器输出值与m a t l a b 计算值的比较6 4 表5 3 一个蝶形运算单元的消耗6 5 表5 4 整个系统的消耗6 6 表5 5x i l i n xh 可口核性能指标6 6 文 f f t f i r f p g a f p l a g a l h d l i o b l u t p f a p l d p r o m r a m r o m s a r s o c s o p c s r a m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y g e n e r i ca r r a y l o g i c h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n p u to u t p u tb l o c k l o o k u p t a b l e p r i m ef a c t o ra l g o r i t h m p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y r a n d o ma c c e s sm e m o r y r e a do n l ym e m o r y s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r s y s t e mo nc h i p s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 专用集成电路 可配置逻辑块 互补性氧化金属半导体 坐标旋转数字计算机 复杂可编程逻辑器件 离散傅里叶变换 频域抽取算法 时域抽取算法 数字信号处理器 电子设计自动化 可擦除的可编程逻辑器件 快速傅立叶变换 有限冲激响应 现场可编程门阵列 现场可编程逻辑阵列 通用阵列逻辑 硬件描述语言 输入输出块 查找表 素因子 可编程逻辑器件 编程只读存储器 随机存取存储器 只读存储器 合成孔径雷达 片上系统 片上可编程系统 静态存储器 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在现代科学技术领域里，电子信息系统的应用范围极为广泛，主要有通信、导航、雷达、 声纳、地震勘探、医学仪器和射电天文等等。在短短几十年的时间里，这些系统几经更新换代， 发展极其迅速。系统的发展过程常常和信息的利用程度分不开，而信息的利用程度又和信号与 信息处理技术的发展紧密相连。2 0 世纪6 0 年代以来，微电子集成电路技术、工艺迅猛发展， 为复杂信号处理的实现提供了可能，从而将信号处理的发展推向高潮。从此，信号处理的研究 不仅限于一般理论和方法的探讨，更多侧重于实现方面，新的实现方法与算法的成果层出不穷。 在此基础上发展起来的新一代系统，其优化和自适应性能大大提高，早期系统已无法与其相提 并论。现代信号处理研究的一个特色是理论与实用研究同步进行，既重视基础理论的研究，又 1 1 重视实际实现和应用的研究”。 随着数字技术与计算机技术的发展，数字信号处理技术已深入到各个学科领域，其应用又 是多种多样的，但数字信号处理基本上从两方面来解决信号的处理问题：一个是时域方法，即 数字滤波；另一个是频域方法，即频谱分析。处理的任务大致分为三类： 卷积：用于各种滤波器，对给定频率范围的原始信号进行加工( 通过或滤除) 来提高信噪 比： 相关：用于信号比较，去除随机事件而放大重复的信号： 变换：用于分析信号的频率内容，寻找特征“指纹”。 其中，d f t ( 离散傅立叶变换) 和卷积是信号处理中两个最基本也是最常用的运算，它们 涉及到信号与系统的分析与综合这一广泛的信号处理领域。由数字信号处理的基本理论可知， 卷积可以转化为d f t 来实现；此外，各种系统的分析、设计和实现中都会涉及到d f t 的计算 问题。所以，d f t 在各种数字信号处理中起着核心作用，而d f t 的快速算法f f t ( 快速傅立叶 f 1 变换) 就成为数字信号处理的最基本技术之一，对f f t 及其实现方式方法的研究是很有意义的。 目前，f f t 已广泛应用在频谱分析、匹配滤波、数字通信、图像处理、语音识别、雷达处 理、遥感遥测、地质勘探和无线保密通讯等众多领域。在不同应用场合，需要不同性能要求的 f f t 处理器。在很多应用领域都要求f f t 处理器具有高速度、高精度、大容量和实时处理的性 r 2 能1 。因此，如何更快速、更灵活地实现f f t 变得越来越重要。 在过去很长一段时间，d s p 处理器是d s p 应用系统核心器件的唯一选择。尽管d p s 处理 器具有通过软件设计能适用于实现不同功能的灵活性，但面对当今速度变化的d s p 应用市场， 特别是面对现代通信技术的发展，d s p 处理器在处理速度上早已力不从心。面向d s p 的各类专 基于f p g a 的高速f f l r 处理器的研究 用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 芯片虽然可以解决并行性和速度的 问题，但其高昂的开发费用、耗时的设计周期和不灵活的纯硬件结构，使得d s p 的a s i c 解决 方案日益失去其实用性”。 近几年，随着现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 技术的迅速发展， 采用f p g a 芯片来实现f f t 已成为必然趋势p 1 。与d s p 相比，f p g a 实现数字信号处理的主要 优越性有： ( 1 ) f p g a 的高度并行处理能力。f p g a 相对d s p 芯片的最大优势是其内在的并行机制， 即利用并行架构实现数字信号处理的功能。这一并行机制使得f p g a 特别适合于完成滤波这样 重复性的d s p 任务。对于高度并行的数字信号处理任务来说，f p g a 性能远超通用d s p 处理器 的串行执行架构r 。 下面以完成乘累加速度最快的t i 的c 6 x 和c 5 5 x 系列【7 】【8 】处理器以及f p g a 完成同一算法 ( 8 位2 8 8 阶f i r 滤波器) 进行比较。结果见表1 1 。 器件选择 t m $ 3 2 0 c 5 5 0 9t m $ 3 2 0 c 6 4l6a l r e r ae p 2 s 6 0 阶数 2 8 82 8 8 2 8 8 乘累加器数 18 2 8 8 内部时钟速度( m h z ) 2 0 06 0 02 5 0 所需时钟周期数 2 8 83 61 所需时问( 岬) 1 4 40 0 6 0 0 0 4 每秒乘加( m a c s ) 0 24 8 7 2 由表1 1 可见，e p 2 s 6 0 型的f p g a 的乘累加速度最快【9 1 ，每秒为7 2 千兆个乘加( m a c ) 操作，是t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的1 5 倍，t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 的3 6 0 倍。而f p g a 中采用的内部时钟速度 还不到t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的l 2 。此外f p g a 中有数以万计的逻辑宏单元可供随意组合成各种类型 的硬件电路功能模块，能够完成单片c 6 x 几乎无法完成的运算任务。 ( 2 ) f p g a 具有重配置能力。d s p 处理器可以通过加载不同的软件来实现不同的功能，但 这相对于a s i c 系统十分灵活的功能并没有实用价值。因为仅仅通过对d s p 处理器加载不同的 程序代码，并不能有效地改变d s p 系统的诸如吞吐量、数据总线宽度、d s p 加速模块的数量与 功能。这是因为这一切必须靠改变硬件结构、硬件功能才能实现。 由于不同的配置文件下载到f p g a 后，能获得不同的硬件结构和硬件功能，因此基于f p g a 的系统具有良好的系统结构可重配置特性。 ( 3 ) 在高速、高性能要求的应用场合，使用f p g a 方案的系统成本、功耗、集成度比使 用d s p 方案更优越。由于c p u 的灵活性，对于低速、低吞吐量和大量复杂运算的情况，d s p 处理器方案的系统成本要比f p g a 系统低很多，而且此方案具有不可替代性。然而在高端应用 领域，大多数的情况中不但需要尽可能高速、高性能的d s p 处理器，而且多片d s p 连用的情 2 南京航空航天大学硕士学位论文 况也十分普遍。在多片d s p 系统中，每一片d s p 处理器都必须配置完整的辅助器件才能正常 工作，如数据r a m 、程序r a m 和r o m 、f i f o 、双口r a m 、f p g a c p l d 辅助接口器件等等。 该系统的成本将成倍提高，功耗、集成度与可靠性等性能指标也都将不同程度地下降，但是如 果使用f p g a 来构成d s p 系统，在d s p 处理器系统中存在的问题将迎刃而解。目前拥有大规 模逻辑资源的f p g a 完全能容纳必须由多片d s p 处理器构成的系统，从而使得单片f p g a 构成 的系统在各项技术指标大幄度提高的前提下，成本和功耗大幅度下降，集成度与可靠性则大幅 度提高。 1 2 相关技术的发展和研究现状 1 2 1f f t 算法的研究现状 离散傅立叶变换( 简称d f t ) 可以使数字信号处理在频域采样按数字运算的方法进行。快 速傅立叶变换( 简称f f t ) 则通过将长序列的d f t 计算分解成短序列的d f t 计算，使运算量 得到明显减少。f f t 算法从出现到现在已有四十多年的历史，其理论已经趋于成熟了。一般将 f f t 的算法归为两类： 一类是将d f t 转变为卷积，利用卷积的快速算法计算d f t ，其代表是线性调频z 变换算 法、素数d f t 算法，前者可将n 点d f t 转换成线性卷积，然后借助于快速卷积算法来计算d f t ， 而后者在n 为素数时，可将n 点的d f t 转换成n l 点的循环卷积。 另一类算法是快速递归型算法，将一维的d f t 分解为容易计算的二维或多维d f t ，此过程 不断重复最终将d f t 分解为简单的几个点之间的交叉运算。1 9 6 5 年库利( j w c o o l e y ) 和图基 ( j w t u k e y ) 提出f f t 快速算法以来，f f t 算法已有了很大的发展【1 0 卜【1 2 1 。 从算法理论上看，f f t 算法主要有两个方向【13 1 ： ( 1 ) 组合数算法，变换点数n 一般为2 的整数次幂。典型算法有基2 算法，基4 算法， 基8 算法，实数因子算法，分裂基算法，以及混合基算法。这类算法是利用系数的周期性和对 称性，使长序列的d f t 分解成更小点数的d f t ，从而大大减少运算工作量。 ( 2 ) 以w i n o g r a d 为代表的一类傅立叶交换算法( w i n o g r a d f o u r i e r t r a n s f o r m a l g o r i t h m , 简 称w f t a 算法，p r i m ef a c t o r a l g o r i t h m ，简称p f t a 算法) 。此类算法以数论以及近世代数知识 进行下标映射，去掉级间旋转因子，从而减少运算量。 从运算量上看，第二类算法乘加次数较少。但控制复杂，且不具有规则性，不易于流水线 实现。第一类算法中的分裂基算法由于其特殊性，综合了基2 基4 算法的优点，具有相对较少 的乘加次数。但其数据流向不规则，也不易于流水线实现和同址运算。因此在工程应用中的专 用f f t 处理器的实现上，以基2 ，基4 算法的居多p 。 1 2 2f f t 处理器的研究现状 3 基于f p g a 的高速f f r 处理器的研究 f f t 处理器是f f t 算法的硬件实现，针对其硬件实现方案，主要有三种途径”： ( 1 ) 利用通用数字信号处理芯片来实现( d s p 处理器) ； ( 2 ) 利用专用f f t 芯片或用户定制的专用集成电路来实现( a s i c ) ； ( 3 ) 利用可编程逻辑器件来实现( 以f p g a 为代表) 。 现在，以f p g a 芯片生产厂商为主的公司在基于f p g a 设计f f f 的综合研究方面处于领先 地位，而且由于f p g a 芯片生产厂商对本厂生产芯片性能上的了解，设计的f f r 处理器可以最 大限度的发挥芯片的性能。f p g a 厂商x i l i n x 公司和a l t e r a 公司都研制了f f ti p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核，性能非常优越。比如：a l t e r a 公司推出新的f f ti p 核，全面支 持a l t e r a 公司的最新器件，使用此f f t 口核计算1 6 位1 0 2 4 点数据，在3 3 4 m h z 外频时钟 下仅需要1 0 2 p s 。f f t 口核通常专为要求高可靠性的应用场合而设计，如雷达、地面和高空通 信、声学、石油和医疗信号处理等，且价格十分昂贵，难以在基层应用领域普及。 国内外学者在用f p g a 实现f f t 处理器方面做了大量的工作，并取得了良好的效益。我国 的f p g a 技术起步较晚，但是进入2 1 世纪后，发展非常迅速。目前不少大学及研究所都使用 f p g a 芯片设计开发具有自主知识产权的f f r ，但是由于起步较晚，基础薄弱，所设计的f f 叩 无论是速度，还是可扩展性上都与国外有一定差距。 2 0 0 2 年罗雪苟、詹阳详细的分析了f f t 使用f p g a 实现的几种方法，并对于各种方法的优 劣进行了讨论【1 5 1 。2 0 0 3 年连冰 1 6 1 在论文里也对此作了详细的阐述。 1 9 9 9 年徐公权等把f f t 蝶形设计和c o r d i c 算法联系起来，在c o r d i c 算法的基础上完 成单个蝶形单元，对于固定n ，都可预先设计制造好印刷电路板，只要把一批c o r d i c 蝶形芯 片安装上即可，建立在c o r d i c 算法基础上的蝶形运算器，并在此基础上构成的f f r 阵列式计 算，实现了f f t 算法的潜在平行性”。2 0 0 4 年李成诗等也利用c o r d i c 算法上实现实时定点 的f f t ，设计基于基4 时序抽取算法，采用双端口内置r a m 和流水线串行工作方式，设计针 对2 5 6 点2 4 位长数据进行运算，完成一次运算约为1 2 p s 1 e l 。 1 9 9 9 年刘朝晖、韩月秋以及2 0 0 2 年党向东、孙阳、韩泽耀等也对使用f p g a 实现h 吓进 行了研究。他们都是使用按时间抽取的基4 算法，部分单元或者全部单元采用流水方式保证系 统的速度，使存取数据、计算旋转因子和蝶形运算等操作协调一致【1 9 卜【2 2 1 。其中党向东设计的 f f t 处理器完成2 5 6 点f f t 计算需要2 6 p s i 2 0 l ，孙阳以及韩泽耀设计的f f t 处理器完成1 0 2 4 点f f t 计算均需要1 2 8 j l s 2 1 2 2 。 2 0 0 3 年韩颖等采用x l i n x 公司的f p g a 设计了f f t 处理器。采用流水方式对复数数据实现 了加窗、f 兀、求模平方三种运算。整个设计使用双基2 蝶形运算单元，采用流水线方式尽量 避免瓶颈的出现，提高了系统时