基于FPGA的数字脉冲压缩系统实现

文章摘要：在系统中FFT处理单元通过使用软核Fast Fourier Transform. v3．O来实现的。该IP核提供3种结构选择。(1)管线级，数据流水I／0。这种结构将若干基-2蝶形单元级联起来，使得数据的输入、计算、输出可以流水进行，从而可以达到很高的处理速度，但资源消耗较大；(2)基-2，最少资源消耗。这种结构采用单个基-2蝶形单元对输入数据进行变换，运算消耗的时间较长；(3)基-4，突发I／O；这种结构采用单个基-4蝶形单元对输入数据进行变换，并利用块RAM来存储旋转因子，占用系统资源较少，在1个PRT内可以完成脉压结果的输出，从而在资源和速度这两者之间达到很好的平衡，也是设计中实际采用的

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　　在系统中FFT处理单元通过使用软核Fast Fourier Transform. v3．O来实现的。该IP核提供3种结构选择。

　　(1)管线级，数据流水I／0。这种结构将若干基-2蝶形单元级联起来，使得数据的输入、计算、输出可以流水进行，从而可以达到很高的处理速度，但资源消耗较大；

　　(2)基-2，最少资源消耗。这种结构采用单个基-2蝶形单元对输入数据进行变换，运算消耗的时间较长；

　　(3)基-4，突发I／O；这种结构采用单个基-4蝶形单元对输入数据进行变换，并利用块RAM来存储旋转因子，占用系统资源较少，在1个PRT内可以完成脉压结果的输出，从而在资源和速度这两者之间达到很好的平衡，也是设计中实际采用的结构。

　　FFT处理单元主要包括2个过程：数据I／O和运算过程，但两者不是流水执行的。FFT启动信号有效后，数据开始进行装载，装载完成后开始进行FFT运算；等待运算结束后，结果才可以输出。在运算过程中，不发生数据的装载或输出。

　　在数字设计中，FFT和IFFT处理单元时可以采用相同的结构来实现的。具体的方法是：在做IFFT运算前，先交换输入数据的实部和虚部，然后送入FFT处理单元按照FFT的结构进行运算，并交换FFT运算结果的实部和虚部，最后除以运算点数N，就可以得到IFFT的运算结果。

　　该IP核基于上面的方法同时具有进行IFFT运算的功能，通过实时配置端口FWD INV上的电平可以实现复用，分别完成FFT和IFFT运算。在FPGA设计中，利用结构复用减少逻辑单元块，不仅可以节约系统资源，而且能够减少结构间的硬连线及传输线时延，有利于提高系统的工作频率。

　　2．2．2 脉冲压缩模块的时序设计

　　由于FFT和IFFT的逻辑运算功能已经在IP核中实现，因此时序设计便显得尤为重要。在FFT(或IFFT)运算单元中，主要的状态与时序控制信号及其功能描述如表1所示。

　　在采样距离门有效期间，将样本数据写入FIFO中进行缓存。采样结束后，通过FFT单元的写使能信号(NFFT_WE和FWD_INV_WE)将NFFT=010 10及FWD_INV_WE=1写入状态控制寄存器设定工作模式，接着启动START信号进行FFT运算，写使能信号与sTART之间仅差1个时钟周期。运算结束后，DONE信号有效1个时钟周期，输出使能信号UNLOAD与DONE同步，经过7个时钟周期后数据有效信号DV开始有效，FFT运算结果开始流水输出，同时与匹配滤波器的系数相乘，并存入RAM中。由于乘法运算的固有延迟，写使能RAM_EN延迟DV信号2个时钟周期。存储结束时，IFFT单元的写使能信号同时有效，并设定NFFT=01010及FWD_INV_WE=0，接着启动START信号进行IFFT运算。运算结束后，DONE信号(与UNLOAD同步)再次有效，IFFT运算输出结果在DV信号有效期间直接写入RAM中。单个PRT内各控制信号的具体时序说明如图4所示。

　　2．2．3 块浮点数据格式

　　在数字信号处理系统中，数据表示格式可分为定点制、浮点制和块浮点制，它们在实现时对系统资源的要求不同，工作速度也不同，有着不同的适用范围。定点表示法使用最多，简单且速度快，但动态范围有限，需要用合适的溢出控制规则(如定比例法)适当压缩输入信号的动态范围，但这样会降低输出信号的信噪比。浮点表示法的优点是动态范围大，可避免溢出，能在很大的动态范围内达到很高的信噪比，主要缺点是系统实现复杂，硬件需求量大，成本和功耗高，而且速度较慢。

　　块浮点表示法兼有定点法和浮点法的某些优点，是以上2种表示法的结合。这种表示法首先对一组数据进行检测，归一化最大数的小数部分，再建立适当的指数。接着把剩下数据的小数部分转化为合适的数，使它们可以使用最大数的指数。块浮点算法的主要优点是：大动态范围、低截断(或舍入)噪声，是一种有效的数据表示形式。从芯片实现角度上看，块浮点表示法能够保证较高的信号处理质量，尤其适用于FFT运算的场合。脉压模块中的FFT核带有块浮点运算的功能，整个运算过程中的数据格式表示如图5所示。

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