可配置浮点FFT的ASIC设计

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FFT变换是数字信号处理中应用广泛的处理手段,在图像语音处理、无线通信和雷达成像等系统中都有FFT/IFFT处理,以便于在频域进行信号处理和传输。随着应用系统需求的不断提高和集成电路技术的发展,应用系统中的FFT/IFFT越来越需要能够实现更大点数序列和更高精度的计算。根据本文设计的目标应用领域是星载雷达成像系统的特点,本文在分析研究传统的FFT的VLSI实现结构的基础上,提出了一种适合于浮点计算的可配置R2/22SDFFFT处理算法和电路结构,并完成RTL编码和功能仿真验证、逻辑综合和分析等。单路径延迟反馈流水结构的设计提高了计算速度,降低了对于外部存储器数据带宽的限制,有效控制了芯片引脚。最高基4的算法与基8或更高基数的算法相比复数乘法器和乘法次数最少,减少计算单元开销。在R2/22SDF流水结构的基础上,将每两种数据长度的点数共用一个数据入口,每一级的FIFO存储器有全深度工作和半深度工作两种模式,减少了大约一半的复数乘法器和旋转因子寻址存储。本文分析了混合基算法在处理不同点数时的各级旋转因子需求规律,提出了旋转因子开销较小的寻址电路硬件。并提出综合考虑复数乘法器和对应的旋转因子寻址和存储面积的新方法,使用混合的复数乘法器实现模式降低资源开销。另外为了降低外部主控器件的工作负荷,并结合SDRAM存储器连续地址突发读写的规律,为了提高数据传输效率,本文提出了一种低开销的基于两块N/2深度单端口存储器的倒位序数据调度策略,与传统的使用一块N深度双端口存储器或两块N深度单端口存储器相比,极大地降低了面积开销。本芯片可以计算26~-213度序列的FFT/IFFT计算,实现自然序的数据输入和输出,数据格式有整型和单精度浮点两种格式可选。针对空间环境中的单粒子翻转效应对于电子系统稳定性和可靠性的影响,本文引入汉明编码和解码电路,实现单比特纠错和两比特报错功能,具有同步复位重启和流水线暂停功能。长度N序列FFT/IFFT计算的数据输出延迟大约为2N个时钟,连续流水处理时可具有同时1data/cycle的数据输入和输出能力。芯片在SMIC0.18μm工艺和100MHz时钟频率下综合得到等效逻辑门为1093Kgates,核心功耗为134mW,片内集成160Kbytes RASP/RFSP和16KbytesROM存储器,总面积14.55mm2。
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