ofdm系统高效流水线型ff处理器的vlsi设计

ofdm系统高效流水线型ff处理器的vlsi设计

1fft在高效运行环境和算法中的应用正交频恢复（obd）是一种多段地震调理技术。一个带宽通道被划分为几个正交狭窄的频带，信息同时传输到每个子频带，具有很高的光谱利用率和抗多经干扰能力。OFDM技术已广泛应用于非对称数字用户环路(ADSL)、数字音频广播(DAB)、高清晰度电视(HDTV)、电力线载波通信(PLC)、无线局域网(WLAN)等系统中。OFDM系统中,根据各载波的正交性特点,OFDM调制解调可以利用IDFT/DFT来实现。这样就需要研究高速FFT来实现高速的数据通信,现今FFT处理器的VLSI实现方法有多种,主要是基于算法和结构的选择,根据系统的具体应用选择其具体的实现方法。笔者设计了一种高速高精度流水线型FFT(IFFT)处理器,结构简单而高效,适用于OFDM系统,它对1024点16bit位长的复数进行一次FFT(IFFT)运算需49.57μs。2radix-4算法在FFT各类算法中,Radix-2算法是最简单的一种,但运算量相对Radix-4算法大得多,而分裂基算法的运算量相对Radix-2和Radix-4算法少一点,但蝶形运算控制复杂度较高,其硬件实现较复杂,因此,本设计采用Radix-4算法。Radix-4按时间抽取(DIT)的蝶形运算矩阵形式为由(1)式可转换为即可得到其蝶形运算的信号流程图(图1)。1024点信号流程图通过16点的信号流图来加以说明,如图2,输入为自然顺序,经过2级蝶形运算后,输出数据刚好是按4进制反序排列,所以在最后的数据输出时需要倒位序输出。3算法硬件的实现3.1fft运算电路IFFT公式为式中:WN=e-j2π/N。进行IFFT运算可以直接利用FFT运算电路来实现,只需把输入的复数实部和虚部位置交换,再把输出的复数实部和虚部位置交换,最后除以系数N。FFT(IFFT)的整体结构如图3。3.2fft的电路运算FFT的硬件实现结构主要有两种形式:并行迭代型和级联流水线型,并行迭代速度快,但硬件资源消耗极大,级联流水线型不但硬件资源消耗小,且具有良好的实时性和连续性,也正是OFDM系统所必需的。FFT处理器主体部分的流水线结构如图4,流水线结构保证FFT的每一级蝶形运算同时进行。在1024个16位复数的FFT运算中,按Radix-4DIT进行运算,共需5级流水线运算,即要5个Radix-4运算单元和6组双口RAM存储器。每一级都有一组RAM,在进行运算时,其中一个RAM用于存储上一级的输出数据,同时另一个RAM中的数据按一定的顺序输出到该级的Radix-4蝶形单元进行蝶形运算,每次蝶形运算完后,将其结果再按输入顺序不变的存储到下一级中的一个RAM中。当完成256次蝶形运算后,即完成一级FFT运算后,对每一级的2个RAM进行读写状态的交换。这样重复的交换2个RAM,通过对其数据的输入和输出的控制,来实现整个FFT处理器的流水线式工作。3.3radix-4蝶形运算单元的输入本设计中采用新的结构来改进Radix-4蝶形运算,即通过寄存器缓存的方法来实现流水线作业和提高整个芯片时钟频率,从而提高数据吞吐量来达到OFDM系统的设计要求,具体如图5,在Radix-4蝶形运算单元的输入增加8组寄存器组来锁存4点输入数据和4个旋转因子数据,在Radix-4蝶形运算的输出也增加4组寄存器来锁存4点Radix-4运算的结果。这样Radix-4蝶形运算就可在4倍的时钟周期内来完成,从而芯片的时钟频率可以大大的被提高,致使数据吞吐量也大大地被提高。Radix-4蝶形运算中的复数乘法器的设计这样的复数乘法器的实现只需3个乘法器和5个加法器,比传统的复数乘法节省了一个乘法器,但多了3个加法器,相对面积减少,将C,C+S,C-S存在ROM中来实现上述复数乘法。4fft转换电路本设计基于TSMC0.13μmCMOS工艺,采用Synopsys的DesignCompiler工具进行综合,时钟频率在125MHz下可正常工作(如图6,7),完成一次1024点FFT运算需49.57μs,综合后电路规模约30万门。OFDM系统调制部分先将数据进行IFFT变换,然后发射出去,解调部分是将接收到的数据进行FFT变换恢复出原数据,图6是输入的原数据,图7是恢复出的数据。使用Astro工具进行自动布局布线,将FFT处理器作为OFDM系统的一个IP核进行版图设计,因没有加存储单元和Pad,其面积为2.33mm。5控制了数据的高速实时处理以及进行高速实时处理本设计采用级联式流