專利名稱：一種基于802.11n的FFT/IFFT處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)中OFDM系統(tǒng)和信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于無 線通信領(lǐng)域正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系統(tǒng)的 基于802. Iln的FFT/IFFT處理器。
背景技術(shù)：
802. Iln作為一種全新的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其傳輸速度、覆蓋范圍和兼容性等方面， 與先前的各類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相比均具有質(zhì)的飛躍。802. Iln綜合采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào) 制和多輸入多輸出(MIMO)等先進(jìn)技術(shù)，使無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度提高到100Mb/S 600Mb/s， 傳輸距離可達(dá)數(shù)公里；獨(dú)特的雙頻帶工作模式(包含2. 4GHz和5GHz兩個(gè)工作頻段)，保障 了與以往的802. lla/b/g等標(biāo)準(zhǔn)的兼容。FFT/IFFT處理器是802. Iln系統(tǒng)中的重要模塊。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的FFT處理器進(jìn)行 了 ASIC實(shí)現(xiàn)，也為可配置，但它是針對(duì)低功耗設(shè)計(jì)，吞吐率較低，工作時(shí)鐘頻率也不高。文 獻(xiàn)[2]采用并行結(jié)構(gòu)，消耗了大量的資源，而且位寬不可以任意配置，精度也不高。文獻(xiàn)[3][5]都是針對(duì)特定要求進(jìn)行的設(shè)計(jì)，通用性不強(qiáng)，整體性能也不高。因此，設(shè)計(jì)一種高速、高吞吐率、通用性強(qiáng)的FFT/IFFT處理器成為802. Iln協(xié)議應(yīng) 用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明主要目的在于提供一種基于802. Iln的FFT/IFFT處理器，以減少硬件資 源，提高數(shù)據(jù)運(yùn)算精度和吞吐率。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于802. Iln的FFT/IFFT處理器，包括RAM、 地址產(chǎn)生模塊、順序調(diào)整模塊、控制移位模塊、指數(shù)產(chǎn)生模塊和蝶形運(yùn)算單元，其中，該處理 器采用雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的緩存；地址產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生向RAM寫入數(shù)據(jù)和 從RAM讀出數(shù)據(jù)的地址；順序調(diào)整模塊用于對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，并進(jìn)行順序調(diào)整；控 制移位模塊，每一級(jí)共享一個(gè)指數(shù)；指數(shù)產(chǎn)生模塊用于根據(jù)蝶形運(yùn)算單元的計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生 每一級(jí)運(yùn)算后的最大指數(shù)；蝶形運(yùn)算單元采用塊浮點(diǎn)算法，完成基4或是基2運(yùn)算。上述方案中，所述該處理器采用的雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，一共需要32個(gè)RAM，由于采用 4路并行運(yùn)算，實(shí)部和虛部分開存儲(chǔ)，每路需要8個(gè)RAM，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)流輸入可連續(xù)流輸 出，在輸入端和輸出端均采用乒乓結(jié)構(gòu)，即雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，32個(gè)RAM被分為4組，即RAMI、 RAM2.RAM3和RAM4，RAMI和RAM2完成對(duì)輸入數(shù)據(jù)的乒乓緩沖存儲(chǔ)，RAM3和RAM4完成對(duì)輸 出數(shù)據(jù)的乒乓緩沖存儲(chǔ)，輸入數(shù)據(jù)首先寫入RAMI，寫滿后，開始寫入RAM2，同時(shí)從RAMI中讀 出數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果按照原位運(yùn)算規(guī)則再寫回相應(yīng)的地址，實(shí)現(xiàn)RAM的復(fù)用，直到完成 整個(gè)運(yùn)算。
上述方案中，所述蝶形運(yùn)算單元采用改進(jìn)的基4單元，通過選擇器控制蝶形運(yùn)算 單元完成基4或是基2運(yùn)算；選擇器選擇控制為1時(shí)，數(shù)據(jù)從A、B、C、D進(jìn)入，經(jīng)過第一級(jí)基 2運(yùn)算和第二級(jí)基2運(yùn)算，完成基4運(yùn)算；選擇器選擇控制為0時(shí)，數(shù)據(jù)直接經(jīng)過第二級(jí)基2 運(yùn)算，完成基2運(yùn)算。上述方案中，所述蝶形運(yùn)算單元采用加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)基4蝶形運(yùn)算單元，復(fù) 數(shù)乘法器通過公式轉(zhuǎn)換用3個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和5個(gè)實(shí)數(shù)加法器，實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法，具體包括(a+jb) X (c+jd) = (ac-bd)+j (ad+bc)，需要四個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和兩個(gè)實(shí)數(shù)加法器， 對(duì)上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換(a+jb) X (c+jd) = ((c-d)a+(a-b)d)+j((a-b)d+(c+d)b)，需要三個(gè)實(shí)數(shù)乘法器 和五個(gè)實(shí)數(shù)加法器。上述方案中，所述蝶形運(yùn)算單元采用的塊浮點(diǎn)算法，輸入的η位數(shù)據(jù)通過符號(hào)位 擴(kuò)展為η+2位防止了計(jì)算的溢出，寫入RAM讀出后經(jīng)過移位模塊判斷取出相應(yīng)的η位進(jìn)行 蝶形運(yùn)算，由于一個(gè)基4蝶形運(yùn)算單元中，旋轉(zhuǎn)因子實(shí)部和虛部的絕對(duì)值總是不大于1的， 故乘法運(yùn)算不會(huì)引起輸出數(shù)據(jù)位數(shù)的增加，而輸入數(shù)據(jù)的加減也最多只有兩次進(jìn)位，所以 蝶形運(yùn)算單元的輸出用η+2位即可，指數(shù)產(chǎn)生模塊對(duì)蝶形運(yùn)算單元輸出數(shù)據(jù)的最高3位進(jìn) 行檢測(cè)，找出每一級(jí)應(yīng)該共享的最大指數(shù)，然后反饋給控制移位模塊，在下一級(jí)讀出時(shí)進(jìn)行 移位處理，重復(fù)上次運(yùn)算過程，直到完成整個(gè)FFT/IFFT運(yùn)算。上述方案中，所述蝶形運(yùn)算單元采用的塊浮點(diǎn)算法，具體包括以下步驟步驟1 輸入的η位數(shù)據(jù)通過符號(hào)位擴(kuò)展為η+2位，寫入RAM ；步驟2 移位模塊根據(jù)產(chǎn)生指數(shù)模塊反饋的指數(shù)信息判斷取出相應(yīng)的η位進(jìn)行蝶 形運(yùn)算；步驟3 蝶形運(yùn)算單元的計(jì)算輸出擴(kuò)展兩位，用η+2位防止了運(yùn)算的溢出。產(chǎn)生指 數(shù)模塊對(duì)蝶形運(yùn)算單元輸出數(shù)據(jù)的最高3位進(jìn)行檢測(cè)，找出每一級(jí)應(yīng)該共享的最大指數(shù)， 然后反饋給移位模塊。上述方案中，所述地址產(chǎn)生模塊采用并行無沖突地址產(chǎn)生方法，具體包括對(duì)于4 個(gè)數(shù)據(jù)并行處理的結(jié)構(gòu)要保證每次讀出的4個(gè)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在不同的RAM中，否則，在并行 讀數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突；因此，數(shù)據(jù)開始輸入系統(tǒng)時(shí)不能依次存儲(chǔ)；該處理器中的地址采用二 維地址，即塊地址和點(diǎn)地址，由蝶形運(yùn)算單元的抽取方式不難發(fā)現(xiàn)，無論抽取間隔是多少， 每相鄰的四個(gè)數(shù)，總是同時(shí)被讀出，可視為一組，需要同時(shí)讀出的組要放在不同的子存儲(chǔ)體 中，根據(jù)以上原則可以找出塊地址和點(diǎn)地址的產(chǎn)生規(guī)律。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，可廣泛適用于802. Iln等無線通信系統(tǒng)中，實(shí) 現(xiàn)高精度的FFT和IFFT變換。2、本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，采用改進(jìn)的基4蝶形結(jié)構(gòu)，分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)基4 和基2混合基運(yùn)算，通過增加選擇器進(jìn)行改進(jìn)，有效的節(jié)省了資源，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)的可配置性。3、本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，采用塊浮點(diǎn)算法，使運(yùn)算的精度得到了改善， 通過簡(jiǎn)單的控制獲得精度的提高。
4、本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，對(duì)數(shù)據(jù)流的緩存利用RAM的乒乓結(jié)構(gòu)有效地 實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)流的處理，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)64點(diǎn)和128點(diǎn)的FFT運(yùn)算，通過端口的簡(jiǎn)單配置實(shí)現(xiàn) IFFT運(yùn)算，位寬根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求任意配置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的不同硬件開銷。5、本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，可廣泛應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中，具備資源少， 精度高、吞吐率高、并可根據(jù)系統(tǒng)要求任意配置位寬等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中蝶形運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中輸入輸出RAM乒乓結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中輸入輸出RAM乒乓結(jié)構(gòu)的時(shí)序圖；圖5是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中塊浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中并行地址產(chǎn)生的示意圖；圖7是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中MATLAB的仿真圖；圖8是本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器中FFT/IFFT處理器的版圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的FFT/IFFT處理器，采用單蝶形4路并行處理，能實(shí)現(xiàn)64點(diǎn)和1 點(diǎn) 的FFT/IFFT變換，位寬可根據(jù)系統(tǒng)要求任意配置，測(cè)試結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的正確性，速度、吞 吐率滿足802. Iln系統(tǒng)的要求。運(yùn)算單元采用一種改進(jìn)的基4蝶形結(jié)構(gòu)，分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)基4 和基2混合基運(yùn)算，與傳統(tǒng)的4路并行方法相比，需要更少的硬件資源。采用了塊浮點(diǎn)算法 提高數(shù)據(jù)運(yùn)算的精度。對(duì)數(shù)據(jù)流的緩存利用RAM的乒乓結(jié)構(gòu)有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)流的處理。 能夠?qū)崿F(xiàn)64點(diǎn)和128點(diǎn)的FFT運(yùn)算，通過端口的簡(jiǎn)單配置實(shí)現(xiàn)IFFT運(yùn)算，位寬也可以根據(jù) 實(shí)際系統(tǒng)要求任意配置。本設(shè)計(jì)在SMIC 0. 13um CMOS工藝下綜合面積為0. 49mm2。最高工 作頻率為MOMHz，此時(shí)功耗為lllmW。完成64點(diǎn)FFT/IFFT運(yùn)算只需63個(gè)時(shí)鐘周期，完成 128點(diǎn)FFT/IFFT運(yùn)算只需144個(gè)時(shí)鐘周期。本發(fā)明的主要貢獻(xiàn)是采用了雙乒乓RAM結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的蝶形運(yùn)算單元、混合基運(yùn)算 和塊浮點(diǎn)算法，很好的解決了連續(xù)流的實(shí)時(shí)處理、傳統(tǒng)的FFT/IFFT處理器資源大、精度低 以及運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)等問題，可直接使用于802. lla/n的OFDM系統(tǒng)。下面詳細(xì)介紹混合基FFT/IFFT算法。對(duì)于N點(diǎn)有限長(zhǎng)序列，其FFT為
權(quán)利要求
1.一種基于802. Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，包括RAM、地址產(chǎn)生模塊、順序 調(diào)整模塊、控制移位模塊、指數(shù)產(chǎn)生模塊和蝶形運(yùn)算單元，其中，該處理器采用雙乒乓結(jié)構(gòu) RAM，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的緩存；地址產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生向RAM寫入數(shù)據(jù)和從RAM讀出數(shù)據(jù)的 地址；順序調(diào)整模塊用于對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，并進(jìn)行順序調(diào)整；控制移位模塊，每一 級(jí)共享一個(gè)指數(shù)；指數(shù)產(chǎn)生模塊用于根據(jù)蝶形運(yùn)算單元的計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生每一級(jí)運(yùn)算后的 最大指數(shù)；蝶形運(yùn)算單元采用塊浮點(diǎn)算法，完成基4或是基2運(yùn)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于802.Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述該處理 器采用的雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，一共需要32個(gè)RAM，由于采用4路并行運(yùn)算，實(shí)部和虛部分開存 儲(chǔ)，每路需要8個(gè)RAM，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)流輸入可連續(xù)流輸出，在輸入端和輸出端均采用乒 乓結(jié)構(gòu)，即雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，32個(gè)RAM被分為4組，即RAM1、RAM2、RAM3和RAM4，RAMI和RAM2 完成對(duì)輸入數(shù)據(jù)的乒乓緩沖存儲(chǔ)，RAM3和RAM4完成對(duì)輸出數(shù)據(jù)的乒乓緩沖存儲(chǔ)，輸入數(shù)據(jù) 首先寫入RAMI，寫滿后，開始寫入RAM2，同時(shí)從RAMI中讀出數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果按照原位 運(yùn)算規(guī)則再寫回相應(yīng)的地址，實(shí)現(xiàn)RAM的復(fù)用，直到完成整個(gè)運(yùn)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于802.Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述蝶形運(yùn) 算單元采用改進(jìn)的基4單元，通過選擇器控制蝶形運(yùn)算單元完成基4或是基2運(yùn)算；選擇器 選擇控制為1時(shí)，數(shù)據(jù)從A、B、C、D進(jìn)入，經(jīng)過第一級(jí)基2運(yùn)算和第二級(jí)基2運(yùn)算，完成基4 運(yùn)算；選擇器選擇控制為0時(shí)，數(shù)據(jù)直接經(jīng)過第二級(jí)基2運(yùn)算，完成基2運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于802.Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述蝶形運(yùn) 算單元采用加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)基4蝶形運(yùn)算單元，復(fù)數(shù)乘法器通過公式轉(zhuǎn)換用3個(gè)實(shí)數(shù) 乘法器和5個(gè)實(shí)數(shù)加法器，實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法，具體包括(a+jb) X (c+jd) = (aC-bd)+j(ad+bC)，需要四個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和兩個(gè)實(shí)數(shù)加法器，對(duì)上 述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換(a+jb) X (c+jd) = ((c-d)a+(a-b)d)+j((a-b)d+(c+d)b)，需要三個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和五 個(gè)實(shí)數(shù)加法器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于802.Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述蝶形運(yùn) 算單元采用的塊浮點(diǎn)算法，輸入的η位數(shù)據(jù)通過符號(hào)位擴(kuò)展為η+2位防止了計(jì)算的溢出，寫 入RAM讀出后經(jīng)過移位模塊判斷取出相應(yīng)的η位進(jìn)行蝶形運(yùn)算，由于一個(gè)基4蝶形運(yùn)算單 元中，旋轉(zhuǎn)因子實(shí)部和虛部的絕對(duì)值總是不大于1的，故乘法運(yùn)算不會(huì)引起輸出數(shù)據(jù)位數(shù) 的增加，而輸入數(shù)據(jù)的加減也最多只有兩次進(jìn)位，所以蝶形運(yùn)算單元的輸出用η+2位即可， 指數(shù)產(chǎn)生模塊對(duì)蝶形運(yùn)算單元輸出數(shù)據(jù)的最高3位進(jìn)行檢測(cè)，找出每一級(jí)應(yīng)該共享的最大 指數(shù)，然后反饋給控制移位模塊，在下一級(jí)讀出時(shí)進(jìn)行移位處理，重復(fù)上次運(yùn)算過程，直到 完成整個(gè)FFT/IFFT運(yùn)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于802.Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述蝶形運(yùn) 算單元采用的塊浮點(diǎn)算法，具體包括以下步驟步驟1 輸入的η位數(shù)據(jù)通過符號(hào)位擴(kuò)展為η+2位，寫入RAM ；步驟2 移位模塊根據(jù)產(chǎn)生指數(shù)模塊反饋的指數(shù)信息判斷取出相應(yīng)的η位進(jìn)行蝶形運(yùn)算；步驟3:蝶形運(yùn)算單元的計(jì)算輸出擴(kuò)展兩位，用η+2位防止了運(yùn)算的溢出。產(chǎn)生指數(shù)模 塊對(duì)蝶形運(yùn)算單元輸出數(shù)據(jù)的最高3位進(jìn)行檢測(cè)，找出每一級(jí)應(yīng)該共享的最大指數(shù)，然后反饋給移位模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于802. Iln的FFT/IFFT處理器，其特征在于，所述地址產(chǎn) 生模塊采用并行無沖突地址產(chǎn)生方法，具體包括對(duì)于4個(gè)數(shù)據(jù)并行處理的結(jié)構(gòu)要保證每次讀出的4個(gè)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在不同的RAM中， 否則，在并行讀數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突；因此，數(shù)據(jù)開始輸入系統(tǒng)時(shí)不能依次存儲(chǔ)；該處理器中的 地址采用二維地址，即塊地址和點(diǎn)地址，由蝶形運(yùn)算單元的抽取方式不難發(fā)現(xiàn)，無論抽取間 隔是多少，每相鄰的四個(gè)數(shù)，總是同時(shí)被讀出，可視為一組，需要同時(shí)讀出的組要放在不同 的子存儲(chǔ)體中，根據(jù)以上原則可以找出塊地址和點(diǎn)地址的產(chǎn)生規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于802.11n的FFT/IFFT處理器，包括RAM、地址產(chǎn)生模塊、順序調(diào)整模塊、控制移位模塊、指數(shù)產(chǎn)生模塊和蝶形運(yùn)算單元，其中，該處理器采用雙乒乓結(jié)構(gòu)RAM，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的緩存；地址產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生向RAM寫入數(shù)據(jù)和從RAM讀出數(shù)據(jù)的地址；順序調(diào)整模塊用于對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，并進(jìn)行順序調(diào)整；控制移位模塊，每一級(jí)共享一個(gè)指數(shù)；指數(shù)產(chǎn)生模塊用于根據(jù)蝶形運(yùn)算單元的計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生每一級(jí)運(yùn)算后的最大指數(shù)；蝶形運(yùn)算單元采用塊浮點(diǎn)算法，完成基4或是基2運(yùn)算。利用本發(fā)明，可方便的進(jìn)行FFT運(yùn)算和IFFT運(yùn)算，解決了傳統(tǒng)的FFT/IFFT處理器資源大、精度低以及運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)等問題。
文檔編號(hào)G06F17/14GK102063411SQ20091023777
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者吳斌, 周玉梅, 姜鑫, 尉志偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所