高能效混合浮點(diǎn)FFT硬件加速器架構(gòu)與VLSI實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、快速傅里葉變換(FFT)是數(shù)字信號(hào)處理中最常用的算法之一。它始終是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如今，F(xiàn)FT是很多新興應(yīng)用中的關(guān)鍵處理模塊，如基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的手持移動(dòng)通信系統(tǒng)和生物醫(yī)療電子信號(hào)處理平臺(tái)。這些應(yīng)用有一個(gè)顯著的共同點(diǎn)，那就是它們要求整個(gè)系統(tǒng)的功耗極低，以延長產(chǎn)品的使用周期。同時(shí)，它們也要求系統(tǒng)具備良好的適應(yīng)性，在面對(duì)不同信號(hào)輸入時(shí)，都能給出理想的處理結(jié)果。因此，F(xiàn)FT硬件加速器必需在保證一定量化信噪比(SQNR)

2、輸出的前提下做到高能效、低成本和高靈活性的實(shí)現(xiàn)。
　　針對(duì)上述要求，本文從算法和電路層面優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FFT硬件加速器。在算法方面，本文總結(jié)了FFT硬件實(shí)現(xiàn)中常用的數(shù)據(jù)表示格式，包括定點(diǎn)格式、浮點(diǎn)格式和基于定點(diǎn)縮放的方法。在這些格式的基礎(chǔ)上，本文提出了動(dòng)態(tài)偏置調(diào)節(jié)的混合浮點(diǎn)方法。該方法采用浮點(diǎn)格式的指數(shù)域和定點(diǎn)格式的小數(shù)域，并使復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部共享一個(gè)指數(shù)域。這樣可以在保證數(shù)據(jù)精度的前提下，減少硬件實(shí)現(xiàn)的成本和功耗。此外，動(dòng)態(tài)偏置調(diào)

3、節(jié)的方法可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同在運(yùn)算過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)表示范圍，從而提高整體SQNR。這種機(jī)制保證了FFT硬件加速器的靈活性和高精度輸出。因此，采用動(dòng)態(tài)偏置調(diào)節(jié)的混合浮點(diǎn)方法的FFT硬件加速器能夠以較小數(shù)據(jù)位寬獲得較高SQNR，從而達(dá)到降低功耗和成本的目標(biāo)。
　　在電路層面，本文實(shí)現(xiàn)的FFT硬件加速器采用單存儲(chǔ)器架構(gòu)以降低硬件的開銷。在數(shù)據(jù)通路的實(shí)現(xiàn)中，本文采用多種方法來降低功耗和提高SQNR。第一，本文分析并減少蝶形運(yùn)算中所需的

4、浮點(diǎn)歸一化操作，由原來的15個(gè)操作降低到4個(gè)操作。第二，本文分析并縮短蝶形運(yùn)算中所需的數(shù)據(jù)處理位寬，在小數(shù)位寬為9時(shí)，可以使中間處理位寬節(jié)省多達(dá)6比特。第三，本文采用Trounding的數(shù)據(jù)舍去策略，盡可能地降低量化誤差而不增加過多的硬件開銷。此外，本文最后著眼于基于低電壓存儲(chǔ)器的FFT硬件加速器設(shè)計(jì)。首先概述存儲(chǔ)器故障的種類和產(chǎn)生原因。然后描述了一定電壓下存儲(chǔ)器故障率的分析仿真方法。之后，給出具體故障率與電壓和電路頻率之間的關(guān)系。并根