基于FPGA的高速卷積硬件設(shè)計及實現(xiàn)

為了在整個轉(zhuǎn)換計算過程中保持高信噪比，F(xiàn)FTIP核在定點結(jié)構(gòu)與全浮點結(jié)構(gòu)之間折中，使用塊浮點結(jié)構(gòu)來表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。在定點結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)精度需要足夠大，才能充分表示整個計算過程中的所有的中間計算結(jié)果。在執(zhí)行定點FFT過程中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)的位數(shù)過大或精度損失的現(xiàn)象。而在浮點結(jié)構(gòu)中，每個數(shù)用單獨的指數(shù)和尾數(shù)來表示，雖然這樣可以大大提高數(shù)據(jù)精度，但是浮點運算需要占用更多的器件資源。塊浮點結(jié)構(gòu)保證了FFT整個轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)位數(shù)的有效使用，每次通過基4-FFT運算以后，數(shù)據(jù)位數(shù)最大可能增加倍，根據(jù)前面輸出數(shù)據(jù)模塊動態(tài)范圍的測量進行比例換算，換算過程中累計的移位次數(shù)被作為整個模塊的指數(shù)輸出。這種移位方法保證了最低位(LSB)的最小值在乘法運算后的輸出進行舍入操作之前就被舍棄。實際上，塊浮點表示法起到了數(shù)字自動增益(AGC)的作用，為了在連續(xù)輸出模塊中產(chǎn)生統(tǒng)一的比例，必須用最終的指數(shù)對FFT函數(shù)輸出進行比例換算。

4 實際工程中的卷積的實現(xiàn)

如圖2所示，給出了一個實際應(yīng)用的例子。為了保證I，Q兩路的相位同一性，使用雙通道A/D，選擇Linear公司的LTC2280，LTC2280支持10 bit，105 Ms/s的最大采樣率，并擁有61.6 dB的信噪比(SNR)，85 dB的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)，滿足系統(tǒng)需要。雙通道D/A使用Analog公司的AD9763，AD9763支持10 bit、125 Ms/s的最大采樣率。

首先，需要在PC機上準(zhǔn)備好h(n)對應(yīng)的DFT變換結(jié)果H(k)，H(k)的處理實際上有兩種方法，一個是將h(n)下載到下位機中，使用下位機硬件實現(xiàn)H(k)，還有就是將H(k)在上位機就計算好，直接將計算結(jié)果下到下位機中。由于h(n)在系統(tǒng)工作中是不變的，在PC機端事先計算好H(k)更合適，不僅可以減少FPGA的資源占用，而且也方便數(shù)據(jù)的處理。基于以上的考慮，本系統(tǒng)將在PC機端求出的H(k)通過422接口下載到下位機的RAM中，方便使用。

下位機系統(tǒng)工作之前，上位機需要通過PCI控制板卡將計算好的數(shù)據(jù)下載到下位機的RAM中，方便工作過程中的數(shù)據(jù)使用。在收到外部控制信號后，下位機開始啟動，LTC2280開始采集I、Q通道數(shù)據(jù)并送入到FPGA中。

AD輸出的I，Q數(shù)據(jù)直接作為一個復(fù)數(shù)的實部和虛部進入FFT核進行FFT變換。為了加速處理速度，使用基-4四引擎輸出結(jié)構(gòu)。FFT核輸出的結(jié)果X(k)過指數(shù)調(diào)整以后直接進入到一個硬件復(fù)數(shù)乘法器，與存儲于RAM中計算好的H(k)對應(yīng)相乘，同時乘法器輸出可以直接輸入到IFFT模塊進行逆FFT運算，IFFT計算結(jié)果再經(jīng)過指數(shù)調(diào)整以后即可以直接通過D/A輸出。

5 性能分析與改進

FPGA的流水線結(jié)構(gòu)決定了速度的瓶頸取決于整個流程中處理速度最慢的部分。在FFT核速度可以保證的前提下(EP2S60的理論速度可以達到293.06 MHz)，而處理過程中全部使用FPGA內(nèi)部RAM來存儲中間數(shù)據(jù)，所以在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部的理論處理速度達到200 MHz以上。本系統(tǒng)的處理速度主要局限于A/D和D/A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率，根據(jù)實際測試，在100 MHz系統(tǒng)時鐘下，數(shù)據(jù)吞吐率可達100 Ms/s，滿足了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。圖4給出了FPGA的資源占用。為了較好地檢測整個使用FFT_IFFT實現(xiàn)卷積的系統(tǒng)性能，設(shè)計了一個初略性能分析測試結(jié)構(gòu)，如圖5所示。