用FPGA實現FFT算法

2021-01-10 電子產品世界

引言

　　DFT(Discrete Fourier Transformation)是數位訊號分析與處理如圖形、語音及圖像等領域的重要變換工具，直接計算DFT的計算量與變換區間長度N的平方成正比。當N較大時，因計算量太大，直接用DFT算法進行譜分析和信號的實時處理是不切實際的。快速傅立葉變換(Fast Fourier Transformation，簡稱FFT)使DFT運算效率提高1～2個數量級。其原因是當N較大時，對DFT進行了基4和基2分解運算。FFT算法除了必需的數據存儲器ram和旋轉因子rom外，仍需較複雜的運算和控制電路單元，即使現在,實現長點數的FFT仍然是很困難。本文提出的FFT實現算法是基於FPGA之上的，算法完成對一個序列的FFT計算，完全由脈衝觸發，外部只輸入一脈衝頭和輸入數據，便可以得到該脈衝頭作為起始標誌的N點FFT輸出結果。由於使用了雙ram，該算法是流型(Pipelined)的，可以連續計算N點複數輸入FFT，即輸入可以是分段N點連續複數數據流。採用DIF(Decimation In Frequency)-FFT和DIT(Decimation In Time)-FFT對於算法本身來說是無關緊要的，因為兩種情況下只是存儲器的讀寫地址有所變動而已，不影響算法的結構和流程，也不會對算法複雜度有何影響。算法實現的可以是基2/4混合基FFT，也可以是純基4FFT和純基2FFT運算。

傅立葉變換和逆變換

對於變換長度為N的序列x(n)其傅立葉變換可以表示如下：

 　　　　式（１）


其中，W="exp"(-2π/N)。 當點數N較大時，必須對式(1)進行基4/基2分解，以短點數實現長點數的變換。而IDFT的實現在DFT的基礎上就顯得較為簡單了：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（２）


由式(2)可以看出，在FFT運算模塊的基礎上，只需將輸入序列進行取共軛後再進行FFT運算，輸出結果再取一次共軛便實現了對輸入序列的IDFT運算，因子1/N對於不同的數據表示格式具體實現時的處理方式是不一樣的。IDFT在FFT的基礎上輸入和輸出均有一次共軛操作，但它們共用一個內核，仍然是十分方便的。


基4和基2
基4和基2運算流圖及信號之間的運算關係如圖1所示：
（a）基４蝶形算法 （b）基２蝶形算法

　　以基4為例，令A="r0"+j

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