[发明专利]一种高精度低功耗的FFT处理器

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种FFT处理器。

背景技术

近些年来，可穿戴及可植入的生物医疗设备的研发受到了广泛的关注。在信号处理领域，很多生物医疗信号处理平台被提出用于处理多种不同的人体信号，如：心肺信号、心电信号、心率波动信号等。在这些系统中，快速傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，用于对信号进行频谱分析，并且是消耗能量最多的操作之一。因此，如何减少系统的功耗同时保持足够的处理精度成为快速傅里叶变换（FFT）处理器设计的一大挑战。同时，在数字通信领域中，正交频分复用（OFDM）技术被广泛采用以提高频带利用率。FFT作为接收端的信号分离器是系统中的关键环节之一。在面向移动手持设备的通信系统设计中，高精度、低功耗的FFT处理器是必要模块。因此，有必要设计一种低功耗的FFT处理器来延长上述设备的使用周期，同时又要具有足够的处理精度来保证功能正确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、低功耗的FFT处理器，能够广泛应用于嵌入式低功耗系统中。

本发明提供的FFT处理器，基本框图如图1所示，采用基于存储器交互的架构，其内部子模块包括：蝶形运算单元、地址产生器、数据存储器、旋转因子存储器和缩放因子产生器；整个FFT计算流程选取频域抽取法（DIF）,由于这个流程中大部分的非平凡旋转因子乘法都集中在最后几级计算中，所以其运算精度相比时域抽取法稍高；所述蝶形运算单元采用基4/2的混合基可配置结构，具有一定的灵活性，能够支持一次基4运算或者两次基2运算；所述地址产生器将根据要计算的FFT点数来产生每次运算的数据以及旋转因子的地址；所述数据存储器由四块2048字的双口SRAM以及选择电路组成，以支持最高8192点FFT的运算；旋转因子存储器大小为2048字，每个字中存放一次基4蝶形所需要的三个旋转因子，因此仅需要一次寻址访问就能获取三个旋转因子；所述缩放因子产生器根据蝶形运算单元的输出来决定所采用的缩放因子大小。

本发明中，采用一种改进后的块浮点技术，即将FFT运算分为若干数据不相关的块，每个块中的级间运算采用多个数据缩放因子。相比单一缩放因子而言，这种方法引起的舍去误差更小，因而整体变换的精度更高。同时采用基于或门的Trounding技术，以减少数据量化造成的误差，相比截取法，Trounding后的结果更接近原始数据；相比四舍五入法，Trounding的实现开销更小。 

本发明中，数据通路上配备了常系数乘法器阵列和普通复数乘法器，并由一种基于数据序号的判定机制来选择乘法运算用哪个模块实现：如果即将进行的旋转因子复数乘法能被常系数乘法器阵列支持，那么采用常系数乘法器阵列进行计算，同时用门控时钟技术关断普通复数乘法器。反之则开启普通复数乘法器，关断常系数乘法器阵列。

本发明的FFT处理器基于存储器交互的架构，支持64—8192点FFT运算，相比基于流水线的架构，具有配置灵活、面积小、功耗低的特点。

附图说明

图1  FFT处理器整体结构图。

图2  64点FFT计算流程。

图3  Trounding技术示意图。

图4  基4/2蝶形单元结构。

图5  常系数乘法器阵列结构。

图6  旋转因子映射关系图。

图7  常系数乘法器阵列旋转因子调度图。

图8  数据存储器及外围电路结构图。

具体实施方式

改进后的块浮点技术如图2所示，以64点FFT运算为例，第一级运算之后，随后的计算可被分为四块互不相关的部分，每一部分采用一个独立的缩放因子，其值由该部分中最大的数据决定。整个计算流程中就有四个缩放因子，第一个缩放因子控制第0-15个点，第二个缩放因子控制第16-31个点，第三个缩放因子控制第32-47个点，第四个缩放因子控制第48-63个点。相比单一缩放因此而言，这种改进后的方法精度更高；相比浮点计算而言，这种基于定点的缩放机制硬件开销更小，仅需要几个比较器和寄存器。