基于FPGA的高速卷積的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，離散時(shí)間系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，可以直接由輸入信號(hào)與系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)的離散卷積得到。離散卷積在電子通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果直接在時(shí)域進(jìn)行卷積，卷積過(guò)程中所必須的大量乘法和加法運(yùn)算，一定程度地限制了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，不能滿(mǎn)足時(shí)效性強(qiáng)的工程應(yīng)用。本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，使用快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)，探討卷積的高速硬件實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 卷積算法的原理

　　設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為h(n)，則沖激響應(yīng)和輸入δ(n)之間有關(guān)系

　　假設(shè)該系統(tǒng)的輸入為x(n)，輸出為y(n)，則根據(jù)線性時(shí)不變系統(tǒng)的定義，有

　　根據(jù)式(3)，線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出信號(hào)可以由輸入信號(hào)與單位沖激響應(yīng)的卷積求得。實(shí)際應(yīng)用中，x(n)與y(n)的序列長(zhǎng)度均為有限的，假設(shè)均為N，顯然，求出N點(diǎn)的y(n)需要N2次復(fù)數(shù)乘法，當(dāng)序列長(zhǎng)度大時(shí)，所需計(jì)算量是龐大，在需要實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)中，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　將M點(diǎn)序列x(n)，L點(diǎn)序列h(n)分別作擴(kuò)展，構(gòu)造新的序列x’(n)，h’(n)，使得長(zhǎng)度N滿(mǎn)足如下條件

　　根據(jù)時(shí)域循環(huán)卷積定理，x(n)與h(n)的線性卷積可以用循環(huán)卷積來(lái)代替。即

　　根據(jù)式(9)，給出了一種基于快速傅里葉變換(FFT)的卷積的實(shí)現(xiàn)方法，如圖1所示。分別對(duì)補(bǔ)零后的z(n)和h(n)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的頻域響應(yīng)X(k)和H(k)，將X(k)和H(k)相乘的結(jié)果再做IFFT，即可以得到x(n)和h(n)的卷積結(jié)果y(n)。

　　2 基于FPGA的高速卷積的實(shí)現(xiàn)

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段FFT硬件實(shí)現(xiàn)的方法主要有ASIC，DSP和FPGA這3類(lèi)。專(zhuān)用FFT處理芯片ASIC，例如PDSPl6510，這類(lèi)芯片的主要特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單。但是由于此類(lèi)ASIC處理點(diǎn)數(shù)有限，實(shí)現(xiàn)大點(diǎn)數(shù)FFT時(shí)，需要多芯片并行工作，會(huì)導(dǎo)致所需的配套控制復(fù)雜、存儲(chǔ)芯片較多，加大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。使用DSP，如TMS320DSP6416，控制程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但由于DSP的串行式軟件工作機(jī)理，當(dāng)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，處理速度難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。使用FPGA實(shí)現(xiàn)FFT功能，其并行處理機(jī)制允許FFT運(yùn)算過(guò)程中使用流水線的形式，大大提高處理速度，而且隨著技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)FT IP核技術(shù)日臻完善，使得基于FFT IP核的系統(tǒng)在速度、靈活性等方面均展現(xiàn)出優(yōu)越性。本文使用Altera公司的StraTIx II系列芯片EP2S60實(shí)現(xiàn)線性卷積的功能。

　　Stratix II是Altera公司生產(chǎn)的一款高性能FPGA器件。它采用臺(tái)積電的90 nm工藝技術(shù)生產(chǎn)，等效邏輯單元(LE)最高可達(dá)180 kB，嵌入式存儲(chǔ)器容量最高可達(dá)9 MB。該器件不但具有較高的性能和密度，而且還針對(duì)器件總功率進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)可以支持高達(dá)l Gb/s的高速差分I/O信號(hào)，因而是一款高性能的FPGA。該芯片中所含的高性能嵌入式DSP塊的運(yùn)行頻率高達(dá)370 MHz。另外Stratix II還有12個(gè)可編程PLL，并具有完善的時(shí)鐘管理和頻率合成能力，能滿(mǎn)足高性能系統(tǒng)的需求。

　　EP2S60集成了60 440個(gè)等效邏輯單元(LES)，內(nèi)嵌M512 RAM模塊329個(gè)，M4K RAM模塊255個(gè)，M-RAM模塊2個(gè)，總存儲(chǔ)單元2 544 192 bit，并集成了DSP模塊36個(gè)、18 bit×18 bit嵌入式硬件乘法器144個(gè)，含有2個(gè)增強(qiáng)性鎖相環(huán)和8個(gè)快速鎖相環(huán)，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。

　　3 FFT IP核的實(shí)現(xiàn)方法

　　為了節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，加速產(chǎn)品的投放，本文使用Ahera提供的FFT IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)FFT和IFFT功能。Ahera FFT IP核函數(shù)是一個(gè)高性能、參數(shù)化的快速傅里葉變換(FFT)處理器，完全支持Ahera的FPGA系列?？梢酝瓿勺儞Q長(zhǎng)度為2m(6≤m≤14)的基2、基4按照頻率抽選的高性能復(fù)數(shù)FFT以及逆FFT運(yùn)算。

　　FFT IP核支持3種數(shù)據(jù)流模式，流模式(streaming)、緩沖突發(fā)模式(Buffered Burst)、突發(fā)(Burst)模式。并可以參數(shù)化設(shè)置變換點(diǎn)數(shù)和FFT或IFFT轉(zhuǎn)換方向。表l給出了FFT在Stratix II系列FPGA上使用流模式(Streaming)的性能。

　　為了在整個(gè)轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程中保持高信噪比，F(xiàn)FTIP核在定點(diǎn)結(jié)構(gòu)與全浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間折中，使用塊浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。在定點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)精度需要足夠大，才能充分表示整個(gè)計(jì)算過(guò)程中的所有的中間計(jì)算結(jié)果。在執(zhí)行定點(diǎn)FFT過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)的位數(shù)過(guò)大或精度損失的現(xiàn)象。而在浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)數(shù)用單獨(dú)的指數(shù)和尾數(shù)來(lái)表示，雖然這樣可以大大提高數(shù)據(jù)精度，但是浮點(diǎn)運(yùn)算需要占用更多的器件資源。塊浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)保證了FFT整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中數(shù)據(jù)位數(shù)的有效使用，每次通過(guò)基4-FFT運(yùn)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(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量進(jìn)行比例換算，換算過(guò)程中累計(jì)的移位次數(shù)被作為整個(gè)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(yùn)算后的輸出進(jìn)行舍入操作之前就被舍棄。實(shí)際上，塊浮點(diǎn)表示法起到了數(shù)字自動(dòng)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(duì)FFT函數(shù)輸出進(jìn)行比例換算。

　　4 實(shí)際工程中的卷積的實(shí)現(xiàn)

　　如圖2所示，給出了一個(gè)實(shí)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，滿(mǎn)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(jī)上準(zhǔn)備好h(n)對(duì)應(yīng)的DFT變換結(jié)果H(k)，H(k)的處理實(shí)際上有兩種方法，一個(gè)是將h(n)下載到下位機(jī)中，使用下位機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)H(k)，還有就是將H(k)在上位機(jī)就計(jì)算好，直接將計(jì)算結(jié)果下到下位機(jī)中。由于h(n)在系統(tǒng)工作中是不變的，在PC機(jī)端事先計(jì)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(jī)端求出的H(k)通過(guò)422接口下載到下位機(jī)的RAM中，方便使用。

　　下位機(jī)系統(tǒng)工作之前，上位機(jī)需要通過(guò)PCI控制板卡將計(jì)算好的數(shù)據(jù)下載到下位機(jī)的RAM中，方便工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)使用。在收到外部控制信號(hào)后，下位機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，LTC2280開(kāi)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(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部進(jìn)入FFT核進(jìn)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(guò)指數(shù)調(diào)整以后直接進(jìn)入到一個(gè)硬件復(fù)數(shù)乘法器，與存儲(chǔ)于RAM中計(jì)算好的H(k)對(duì)應(yīng)相乘，同時(shí)乘法器輸出可以直接輸入到IFFT模塊進(jìn)行逆FFT運(yùn)算，IFFT計(jì)算結(jié)果再經(jīng)過(guò)指數(shù)調(diào)整以后即可以直接通過(guò)D/A輸出。

　　5 性能分析與改進(jìn)

　　FPGA的流水線結(jié)構(gòu)決定了速度的瓶頸取決于整個(gè)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(dá)到293.06 MHz)，而處理過(guò)程中全部使用FPGA內(nèi)部RAM來(lái)存儲(chǔ)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(dá)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(shí)際測(cè)試，在100 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下，數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)100 Ms/s，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。圖4給出了FPGA的資源占用。為了較好地檢測(cè)整個(gè)使用FFT_IFFT實(shí)現(xiàn)卷積的系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)初略性能分析測(cè)試結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

　　在圖5中，由上位機(jī)產(chǎn)生的一組8 192點(diǎn)隨機(jī)復(fù)數(shù)a(t)寫(xiě)入ROM中，作為FFT模塊的信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)FFT后將結(jié)果B(ω)存入RAM中，以方便上位機(jī)讀取并與a(t)使用Matlab計(jì)算出來(lái)的FFT結(jié)果A(ω)進(jìn)行比較;接著將該FFT結(jié)果B(ω)再進(jìn)行IFFT計(jì)算，由數(shù)字信號(hào)處理理論可知，一個(gè)信號(hào)進(jìn)行FFT后再進(jìn)行IFFT的結(jié)果應(yīng)該是信號(hào)本身，所以將B(ω)再進(jìn)行IFFT計(jì)算后得到的結(jié)果b(t)存入RAM，由上位機(jī)讀取并與原始信號(hào)a(t)進(jìn)行比較，可以分析整個(gè)卷積系統(tǒng)的處理誤差。圖6給出了計(jì)算FFT結(jié)果相對(duì)誤差的Matlab相關(guān)程序。

　　求出A(ω)的最大值max[A(ω)]，分別對(duì)B(ω)的實(shí)部和虛部計(jì)算相對(duì)誤差，得到如圖7所示的相對(duì)誤差曲線。由圖6可知，在FFT過(guò)程中，相對(duì)誤差可以保證在0.5%以?xún)?nèi)。對(duì)FFT所得的結(jié)果B(ω)做IFFT得到b(t)，分析b(t)與原數(shù)據(jù)a(t)的誤差，得到如圖8所示的相對(duì)誤差曲線。

　　觀察圖8可知，經(jīng)過(guò)FFT變換和IFFT變換以后的累積相對(duì)誤差保持在±3%以?xún)?nèi)，主要原因是FPGA計(jì)算FFT和IFFT過(guò)程中由于精度的要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)舍去，造成誤差的產(chǎn)生。這種誤差是由硬件客觀條件限制的，不可避免，但是±3%的誤差精度完全可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用。

　　本系統(tǒng)由于涉及到高速A/D、高速D/A，所以在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮電磁兼容EMC(Electro MagneTIc Compatibility)和抗電磁干擾EMI(Electro Magnetic InteRFerence)性和信號(hào)的完整性。總體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要考慮PCB的元器件布局和布線，同時(shí)設(shè)計(jì)中的接地、去耦和旁路同樣重要。例如在A/D部分這種混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，由于混合了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，只有盡可能減小電流環(huán)路的面積才能降低數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的相互干擾。一個(gè)可行的方法是將地平面分割，然后在A/D轉(zhuǎn)換器下面將模擬地和數(shù)字地連接在一起。

　　在處理FFT和IFFT核的指數(shù)問(wèn)題時(shí)，正常做法是在FFT結(jié)束后直接做一次指數(shù)調(diào)整，在IFFT結(jié)束后再做一次指數(shù)調(diào)整。設(shè)經(jīng)過(guò)FFT核后的直接輸出結(jié)果為X’(k)、對(duì)應(yīng)指數(shù)輸出為(-expl)，x(n)的真實(shí)結(jié)果為X(k)，則有

　　由式(12)可知，F(xiàn)FT和IFFT的兩次指數(shù)調(diào)整實(shí)際可以在IFFT合為一次，可以減少控制的復(fù)雜程度。兩次調(diào)整指數(shù)的示意圖如圖9所示。一次調(diào)整指數(shù)的示意圖如圖10所示。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于Altera的FPGA EP2S60F1 020C8，搭建了結(jié)合A/D，D/A等功能的配套處理平臺(tái)，完成了對(duì)高速離散卷積的硬件實(shí)現(xiàn)，使該系統(tǒng)在100 MHz時(shí)工作正常，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。