基于FPGA的可扩展高速FFT处理器的设计与实现

我们利用FPGA实现的各功能模块按图1实现结构组装了8&TImes;4&TImes;2点组合数FFT处理器，通过仿真验证了其设计的正确性后，又在FPGA实验板上对它进行了硬件验证，其实验验证平台如图4所示。

　　硬件验证时采取的实验方法是，用相同的抽样频率fs等间隔地抽取不同频率单频正弦信号相同点数64点，即固定FFT的频率分辨率fr，利用设计的64点FFT处理器计算其幅度谱，观察其幅度谱中直流分量谱线和谐波分量谱线间隔大小的变化，把实验结果和理论分析结果进行对照，以确认FFT处理器工作的正常与否。

　　系统时钟工作在 40.861 MHz 时，抽样频率为 40.861/2=20.4305 MHz，抽样周期为1/20.4305 MHz="48".9 ns，抽取64个点的时间是48.9×64＝3.13μs。因为每个采样数据间隔时间是48.9μs，所以用设计的流水线方式工作的6

　　4点FFT处理器计算其幅度谱的谱线间隔也为48.9 ns。当输入单频正弦信号的频率约为638.454 kHz时，其周期为1/638.454 kHz＝1.567μs。用20.4305 MHz频率抽样，3.13μs时间内刚好在正弦信号的2个周期内抽取64点，输入单频正弦信号的频率是频率分辨率319.227 kHz的2倍，直流分量为幅度谱的第1根谱线，一次谐波分量为幅度谱的第3根谱线，其理论计算结果波形如图5所示，实验测试结果波形及其的局部放大波形如图6和图7所示。

　　从示波器上可以看出，横坐标单元格间隔为1μs，FFT变换周期间隔约为3格，即约为3μs，抽取了信号波形的2个周期，64点FFT计算时间也约为3μs。

　　输入单频正弦信号的频率是频率分辨率319.227 kHz的2倍，直流分量为幅度谱的第1根谱线，一次谐波分量为幅度谱的第2根谱线。由于幅度谱的谱线间隔为48.9 ns，也就是说，直流分量和一次谐波分量间隔约为100 ns。从示波器上可以看出，横坐标单元格间隔为100 ns，直流分量和一次谐波分量间隔约为100 ns，和理论分析结果一致。

　　四、结论

　　本文以高组合数混合基DFT算法为基础，设计并用FPGA实现了变换点数可灵活扩展的流水线FFT处理器。输入/输出数据速率为20 MHz时，读/写RAM工作在40 MHz时钟，计算出1 024点FFT的运算时间约为52μs。本设计采用模块化设计结构，便于系统调试和实现，而且各设计模块可以重复利用，避免重复相同的设计，从而缩短芯片设计开发时间，更易于FFT处理器的结构扩展。整个FFT设计结构新颖，实现容易，具有一定实用价值。