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快速傅立叶变换(FFT)是数字信号处理领域核心算法之一,可以通过FPGA,DSP和ASIC等多种方式来实现硬件设计。FFT专用芯片广泛应用于宽带OFDM系统,ADSL调制器,数字电视,雷达及声纳信号处理系统等,在高精度高速实时性环境更是首要选择。因此高性能专用FFT处理芯片设计具有重要意义。
本文研究的1024点FFT处理芯片设计是基于。TSMC0.18μm CMOS标准单元库的半定制ASIC设计,采用自顶向下与自底向上相结合,以关键模块为设计对象的设计方法,使用Verilog HDL描述系统,在Modelsim、Design Compiler和Astro等电子设计自动化(EDA)工具中完成。
在高速度要求下,文章分析了基-2算法与基-4算法的优缺点,并在此基础上分析了原位存取运算和固定结构运算的原理,最终确定采用基-4算法,固定结构设计系统。文章分析了数字系统的基本结构和高速ASIC设计的方法,在此基础上,将本设计整个系统划分为:蝶形运算单元,系统控制器,运算数据存储与寻址系统,旋转因子存储与寻址以及数据总线交换器。其中蝶形单元是关键模块,采用全流水线结构,控制系统采用顶层控制和低层控制相结合的方式。
系统架构和各个模块采用Verilog实现RTL编码,并完成相应的功能仿真,然后经过FPGA验证证明了设计的正确性和硬件可实现性。按照设计要求,使用TSMC0.18μm工艺的标准单元库,通过Design Compiler工具对整个系统进行逻辑综合,并完成相关的形式验证和静态时序分析。综合结果满足设计目标要求,系统能够稳定运行于120Mhz,完成1024点浮点复数FFT运算需要11.6μs。综合后使用Astro工具完成布局布线。文章最后提出了对接口改进的设想。
本文通过对1024点FFT处理芯片的设计研究,积累了大量设计经验,为实现更高性能的FFT处理器打下坚实的基础,同时掌握了半定制方式设计芯片的整体过程,为ASIC芯片开发做好充足准备。