[发明专利]一种二维离散傅里叶变换运算电路及运算方法

说明书

本发明公开了一种二维离散傅里叶变换运算电路及运算方法，包括：均为行输入、列输出的m个行运算核和n个列运算核，处理器；每个行运算核基于忆阻器阵列对待运算矩阵中该行运算核对应的行向量进行傅里叶变换，得到该行各元素新的取值；第j个行运算核的第i列输出端口连接至第i个列运算核的第j行输入端口，每个列运算核用于基于忆阻器阵列，对接收的各元素所构成的列向量进行傅里叶变换，得到该列各元素傅里叶变换值；处理器将各列各元素傅里叶变换值按待运算矩阵中的相对位置关系，构成傅里叶变换矩阵。本发明引入忆阻器搭建傅里叶变换运算电路，以实现矢量‑矩阵乘法，可在不使用外部存储器的条件下直接完成二维矩阵的离散傅里叶变换，极大降低运算成本。

技术领域

本发明属于模拟电路领域，更具体地，涉及一种二维离散傅里叶变换运算电路及运算方法。

背景技术

傅里叶变换是一种信号分析方法，可以分析信号的组成成分，在对信号进行傅里叶变换后，信号可以展开为一连串的正弦信号的组合。其目的是将信号由其时域表示转换为频域表示，而将离散序列由其时域表示转换为其频域表示，所用的就是离散傅里叶变换，其变换结果也是离散的。

傅里叶变换不仅能用来分析一维序列，也能用来分析二维序列，即图像，对它进行傅里叶变换得到的也是它的频谱数据。对于数字图像这种离散的信号，频率大小表示信号变化的剧烈程度或者说是信号变化的快慢。频率越大，变化越剧烈，频率越小，信号越平缓，对应到图像中，高频信号往往是图像中的边缘信号和噪声信号，而低频信号包含图像变化频繁的图像轮廓及背景等信号。同时，由于图像是二维离散数据，对图像的离散傅里叶变换也是二维的，即二维离散傅里叶变换，操作上是先对行进行一维离散傅里叶变换，在行变换结果上对列进行一维离散傅里叶变换。

传统的基于CMOS器件的计算离散傅里叶变换采用的是冯·诺伊曼计算架构，因架构中存储与计算分离，数据需要在存储器与处理器之间频繁传输，产生巨大的功耗和延时。随着CMOS器件性能日益优化，总线上的数据传输问题日益严重，极大地限制了计算机的计算性能，即冯·诺伊曼瓶颈。虽然利用了快速傅里叶变换算法来计算离散傅里叶变换，但这仅仅是算法上的改变，无法有效突破冯·诺依曼瓶颈。

发明内容

本发明提供一种二维离散傅里叶变换运算电路及运算方法，用以解决现有傅里叶变换运算需要存储过程数据而存在运算成本高的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种二维离散傅里叶变换运算电路，包括：均为行输入、列输出的m个行运算核和n个列运算核，处理器，m、n均为正整数；

每个行运算核用于基于忆阻器阵列，对待运算矩阵中该行运算核对应的行向量进行傅里叶变换，得到该行各元素新的取值；

第j个行运算核的第i列输出端口连接至第i个列运算核的第j行输入端口，每个列运算核用于基于忆阻器阵列，对接收的各元素所构成的列向量进行傅里叶变换，得到该列各元素傅里叶变换值，j＝1,…,m，i＝1,…,n；

所述处理器用于将各列各元素傅里叶变换值按照所述待运算矩阵中的相对位置关系，构成傅里叶变换矩阵。

本发明的有益效果是：本发明在傅里叶变换中引入忆阻器，忆阻器具有高速、低功耗、易集成以及与CMOS工艺相兼容等优点，被视为下一代非易失性存储技术，由于其具有多级电导调控特性，可以通过电导存储运算用的数据矩阵，以实现矢量-矩阵乘法，因此可实现存算一体。本发明基于忆阻器搭建硬件电路，电路采用多个运算核合理连接的方式取消了传统傅里叶变换硬件架构中大量的数据传输流程，可在不使用外部存储器的条件下直接完成二维矩阵的离散傅里叶变换，减少了电路复杂度，减少了一次数据传输的过程，降低了电路功耗，同时相比起传统的利用快速傅里叶算法结合FPGA加速的方式，该电路也有效的降低了时间复杂度，实现了存储与计算的融合，大幅节约了能耗和计算时间。因此，本发明是一种高效、低成本的二维离散傅里叶运算电路，可有效突破冯·诺伊曼瓶颈的突破。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。