无线通信中剪枝FFT算法研究及其可配置VLSI设计与实现

摘要

随着无线通信技术的快速发展，人们已经不再满足于简单的语音通信和低速率的数据传输，来自高速数据及多媒体业务的市场需求推动了各领域中无线通信标准的快速演进。但同时快速增长的高速数据传输需求也给无线通信系统的设计及其硬件实现带来了一系列的挑战，其中一个重要方面便是高速数据传输与复杂通信系统实现中巨大运算量所需的能量消耗和移动通信终端有限的电池容量之间的矛盾。虽然半导体工艺技术仍然遵循着摩尔定律在发展，但单纯依赖工艺的进步已经不能完全抵消无线通信系统中运算量快速增长所带来的功耗增加，通过设计方法和硬件架构上的改进以提高硬件实现的功耗效率成为目前研究者关注的重点。
　　 从提高硬件实现功耗效率的角度出发，本文针对无线通信系统中，尤其是OFDM/OFDMA系统和认知无线电系统中具有广泛应用的剪枝FFT算法及其硬件实现进行了系统的研究，从算法、结构和硬件实现的不同层面对剪枝FFT进行了优化和改进。
　　 本文首先分析了无线通信中剪枝FFT的应用，其中重点研究了OFDM/OFDMA系统中信道估计和调制解调以及认知无线电系统中的频谱感知和动态频谱接入算法中剪枝FFT使用的特点，确定了无线通信中剪枝FFT的应用需求；在分析和总结已有剪枝FFT算法和实现的基础上，确定了本文的研究内容和研究目标。
　　 然后本文研究了通用的剪枝FFT算法。针对现有剪枝FFT算法中剪枝灵活性和适用范围不足的问题，文中提出了一种通用的混合基剪枝FFT算法，并给出了一般混合基SFG的剪枝计算方法；另外本文提出了一种分层剪枝策略，和高基(High－Radix)FFT的组合分解算法相结合，进一步降低了剪枝FFT的算法复杂度。
　　 在通用剪枝FFT算法研究的基础上，本文针对通用剪枝FFT实现中的关键问题--剪枝SFG信息的组织方法进行了研究，其中重点针对硬件实现中剪枝信息的表示、存储和使用等问题进行了分析。文中提出了一种优化的SFG剪枝信息压缩方法，利用FFT SFG的结构特点和合理的软硬件划分，有效降低了剪枝信息的存储需求。
　　 接下来本文研究了剪枝FFT的硬件实现架构并设计了通用的剪枝FFT可配置IP核。不同于已有文献中基于可编程计算平台或基于ASIC专用硬件的实现方法，本文从灵活性和功耗效率出发，根据通用剪枝FFT的算法特点，重新划分了剪枝FFT实现的软硬件界线，设计了以剪枝蝶形运算指令为核心的通用剪枝FFT可配置IP核，一方面为剪枝FFT的实现提供了高效灵活的运算引擎，另一方面为系统级剪枝FFT实现的优化提供了足够的灵活性。
　　 最后本文设计并实现了通用可配置剪枝FFT处理器。文中针对剪枝蝶形运算指令的存储进行了优化，降低了剪枝FFT实现的硬件代价。基于本文结构的灵活性，提出了一种减少旋转因子读取的方法，降低了剪枝FFT计算中旋转因子存储器操作的能量消耗。本文设计的剪枝FFT处理器成功的基于SMIC0.13μm工艺进行了流片，测试结果验证了本文设计的有效性。