CN100378719C - 基2单路深度延时反馈的流水线构成fft处理器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基2单路深度延时反馈的流水线构成FFT处理器的实现方法，流水线的结构由四个复数加法器和一个复数乘法器以及两个蝶形处理单元组成，运算数据顺序流入，运算结果顺序流出；蝶形处理单元是模式可编程的，根据需要选择基4、基2或直通模式，因此长度为16的R2SD²F流水线能够分别用于计算基16、基8、基4和基2蝶形运算。本发明的方法通过更加合理地调度计算资源和减少重复运算，可以进一步提高运算单元的使用效率，减少资源需求。

Description

基2单路深度延时反馈的流水线构成FFT处理器的实现方法

技术领域

本发明属于工程技术类数字信号处理技术领域，具体涉及R2SD²F流水线构成FFT处理器的实现方法。该方法可以广泛地用于信号分析、信号调制解调、信号压缩、FFT相关等众多数字信号处理环节，在加快系统处理速度的同时简化系统的软硬件设计，是一项对国防武器现代化建设与国民经济发展都十分有价值的技术。

背景技术

FFT/IFFT(快速傅立叶变换/逆快速傅立叶变换)在数字信号处理中是一种非常重要的算法，FFT处理器是快速傅立叶变换的硬件实现形式。在现代数字通信系统和数字电视广播系统中，如xDSL调制解调器、相位相关器、无线接收机等，各种具有不同优缺点的专用FFT处理器已成为其中的关键部件。

在现有的FFT处理器流水线结构设计中，采用基4蝶形处理单元(BF4)的结构一般可以比采用基2蝶形处理单元(BF2)节省约一半的乘法器，但如果采用传统的基4蝶形单元实现方式，所需的加法器是后者的两倍。R2²SDF(基2²单路延时反馈)和R4SDC(基4单路延时转换)结构是两种较优秀的创新结构。在R2²SDF结构中，BF4由两个级连的BF2实现，与传统结构相比，在保持相同数目乘法器和寄存器的基础上，将加法器的数目减少一半，使处理单元的效率从25％提高到50％。在G.A.Bi的研究中，他提出的R4SDC结构巧妙地安排了进入运算单元的数据流，使BF4所需的加法器降到了3个，而传统结构与R2²SDF结构中BF4所需的加法器分别是8个和4个。但R4SDC结构的蝶形处理单元没有考虑蝶形运算的重复性，另外相对R2²SDF而言，增加了一倍的寄存器资源。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种R2SD²F(基2单路深度延时反馈)的流水线构成FFT处理器的实现方法。

实现上述目的的技术解决方案是，基2单路深度延时反馈的流水线构成FFT处理器的实现方法，其特征在于，流水线的结构由四个复数加法器和一个复数乘法器以及两个蝶形处理单元组成，运算数据顺序流入，运算结果顺序流出；

上述蝶形处理单元是模式可编程的，根据需要选择基4、基2或直通模式，使长度为16的R2SD²F流水线能够分别用于计算基16、基8、基4和基2蝶形运算；

在流水线的每一级，均有三组延时寄存器，对于第p级来说，三组延时分别为：一组N/(2×4^p-1)拍延时(Delay A)，另外两组为N/4^p拍延时(DelayB&C)，在这里N等于16；即第一蝶形处理单元的输出分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到其输入端，而第二蝶形处理单元的输出端分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到同一蝶形处理单元的输入端；

第一蝶形处理单元的输出经过乘法器与旋转因子相乘后进入第二蝶形处理单元的一个输入端口，将两个蝶形处理单元联系起来构成一完整的流水线，待处理数据从第一蝶形处理单元的一个端口流入，最终结果从第二蝶形处理单元输出端口流出。

本发明的方法通过更加合理地调度计算资源和减少重复运算，可以进一步提高运算单元的使用效率，减少资源需求。

附图说明

图1是16点DFT的R2SD²F流水结构图；

图2是R2SD²F流水结构中的蝶形处理单元

图3是BPEI中的数据流，BPEI工作模式：基4蝶形运算；流水线工作模式：基16蝶形运算；

图4是BPEI中的数据流，BPEI工作模式：基2蝶形运算；流水线工作模式：基8蝶形运算；

图5是BPEI中的数据流，BPEI工作模式：直通模式。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

R2SD²F(Radix-2 Single“Deep”Delay Feedback，基2单路深度延时反馈)这种结构中，基16蝶形运算流水线仅由四个复数加法器和一个复数乘法器以及相应的蝶形处理单元组成，运算数据顺序流入，运算结果顺序流出，运算模块的效率达到100％。而且，R2SD²F结构中的流水线中相应的蝶形处理单元是模式可编程的，可以根据需要选择基4、基2或直通模式，因此长度为16的R2SD²F流水线能够分别用于计算基16、基8、基4和基2蝶形运算。

N点的离散傅立叶变换由式(1)定义：

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{W}_N^{\mathrm{nk}}---\left(1\right)$

如果将式(1)中的n，k分解成n＝8n₂+4n₁+n₀和k＝4k₀+2k₁+k₂，其中0≤n₀，k₀≤3，0≤n₁，n₂，k₁，k₂≤1，那么16点的离散傅立叶变换可写成：

$X_{4k_0+2k_1+k_2}=\underset{n_0=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{n_1=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{n_2=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{8n_2+4n_1+n_0}{W}_2^{n_2{k}_2}\right)W_4^{n_1{k}_2}{W}_2^{n_1{k}_1}\right)W_{16}^{n_0{k}_1}{W}_4^{n_0{k}_0}---\left(2\right)$

式(2)可以进一步表述成

$Y_{8k_2+4n_1+n_0}=\underset{n_2=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{8n_2+4n_1+n_0}{W}_2^{n_2{k}_2}---\left(3\right)$

$Z_{8k_2+4k_1+n_0}=\underset{n_1=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{8k_2+4n_1+n_0}{W}_4^{n_1{k}_2}{W}_2^{n_1{k}_1}---\left(4\right)$

$X_{4k_0+2k_1+k_2}=\underset{n_0=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left(Z_{8k_2+4k_1+n_0}\right)W_{16}^{n_0{k}_1}{W}_4^{n_0{k}_0}---\left(5\right)$

在R2SDF和R2²SDF结构中运行16点离散傅立叶变换时，由于串行读取的关系，在以每16拍组成的一个周期内，第一个蝶形处理单元在每次的前半个周期均处于空闲状态，而对于第二个蝶形处理单元，也是分别只有两个1/4周期是有用的。换而言之，如此结构中的蝶形处理单元效率只有50％。然而，如果能够将运算结果适时地反馈回第一个蝶形处理单元的输入端，使之能够用原来的空闲时间来完成又一次蝶形运算，这样能够节省一个蝶形处理单元，使处理单元效率达到100％。

16点的R2SD²F(Radix-2Single“Deep”Delay Feedback，基2单路深度延时反馈)流水线结构由两个蝶形处理单元(BPE-I和BPE-II)以及相应的延时存储单元(Delay(n)，n表示延时拍数)构成，如图1所示。

在流水线的每一级，均有三组延时寄存器，对于第p级来说，三组延时分别为：一组N/(2×4^p-1)拍延时(Delay A)，另外两组为N/4^p拍延时(DelayB&C)，在这里N等于16。即蝶形处理单元BPE-I的输出Fouta、Foutb、和Foutc分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到Fina、Finb、和Finc，而蝶形处理单元BPE-II的输出Fouta、Foutb、和Foutc分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到同一蝶形处理单元的Fina、Finb、和Finc。

蝶形处理单元BPE-I的Dout输出经过乘法器与旋转因子相乘后进入BPE-II的Din将两个蝶形处理单元联系起来构成一完整的流水线，待处理数据从蝶形处理单元BPE-I的Din端口流入，最终结果从蝶形处理单元BPE-II的Dout端口流出。

流水线中的蝶形处理单元设计如图2。它包括一个复数加法器、一个复属减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成。输入连接信号有：Din连至转换开关S₉的1输入端和S₅的0输入端，Fina分别连至S₁的1输入端、S₀的1输入端和S₂的0输入端，Finb分别连至S₁的0输入端、S₃的1输入端和S₆的1输入端，Finc连至S₀的0输入端和S₇的1输入端；中间连接信号有：S₁的输出连至S₉的0输入端，S₅的输出及输出乘上-j的结果分别连至S₈的0输入端和1输入端，S₂的输出连至S₃的0输入端，S₆的输出连至S₇的0输入端；加减法器的输入输出连接关系为：S₀的输出Bina连至加法器的被加数端和减法器的被减数端，S₉的输出Binb连至加法器的加数端和减法器的减数端，加法器的输出分别连至S₂的1输入端、S₄的1输入端和S₆的0输入端，减法器的输出连至S₄的0输入端和S₅的1输入端；输出信号的连接关系为：Fouta连至S₈的输出端，Foutb连至S₄的输出端，Foutc连至S₃的输出端，Dout连至S₇的输出端。

在上述方法中，Delay A(图1中的Delay(2)和Delay(8))的作用与R2SDF和R2²SDF中延时单元的作用是相同的，在每个周期的前半阶段用来实现对操作数的延时，后半阶段则用来实现对操作结果的延时，使基2蝶形运算后并行输出的结果再次串行化。与R2SDF和R2²SDF结构不同的是，基2蝶形运算的结果并没有直接流入下一个蝶形处理单元，而是在经过Delay B&C(图1中的两个Delay(4)和两个Delay(1))后返回同一个蝶形处理单元的输入端，我们称之为“深”反馈(“deep”feedback)，这第二次的基2蝶形运算结果还是经过Delay B&C再次实现串行化。

目前已知的FFT处理器流水线在完成N点DFT运算时资源需求见表1。

表1不同流水线结构的资源需求比较

流水线结构	乘法器数目	加法器数目	寄存器数目	转换开关数目
					R2MDC	2(log<sub>4</sub>N-1)	4log<sub>4</sub>N	3N/2-2	4log<sub>4</sub>N-2
R2SDF	2(log<sub>4</sub>N-1)	4log<sub>4</sub>N	N-1	4log<sub>4</sub>N
					R4SDF	log<sub>4</sub>N-1	8log<sub>4</sub>N	N-1	4log<sub>4</sub>N
R4MDC	3(log<sub>4</sub>N-1)	8log<sub>4</sub>N	5N/2-4	12(log<sub>4</sub>N-1)
					R4SDC	log<sub>4</sub>N-1	3log<sub>4</sub>N	2N-2	5log<sub>4</sub>N
R2<sup>2</sup>SDF	log<sub>4</sub>N-1	4log<sub>4</sub>N	N-1	5log<sub>4</sub>N
					R2SD<sup>2</sup>F(本发明)	log<sub>4</sub>N-1	2log<sub>4</sub>N	4(N-1)/3	10log<sub>4</sub>N

在所有这些流水线设计中，这项发明专利中提出的R2SD²F结构运算部件(乘法器与加法器)资源需求最少，但是在寄存器和转换开关需求上有所增加。与R2²SDF结构相比，转换开关增加了一倍，寄存器数目增加了1/3。

一般来说，加法器和乘法器在实现时比寄存器与转换开关需要更多的晶体管资源，特别是对于较高精度的应用来说，相同位长的加法器和寄存器组(或是转换开关组)所需的资源比率能达到4.5～15倍。因此，通过增加少量的存储资源和转换开关来换取运算部件数目的减少通常是可取的。

根据一般通用数据，基本电路的资源需求如下表：

基本电路种类	晶体管数
		二选一开关	6
寄存器	10
		9位CLA(先行进位加法器)	354

对于一个字长为9位的16点FFT流水线，R2SD²F、R4SDC和R2²SDF几种算法在加法器、存储器和转换开关上的资源比较见下表：

流水线结构	基本电路数	各电路晶体管数	晶体管总数
				R2SD<sup>2</sup>F(本文提出结构)	4组9位CLAs20组9位寄存器组20组9位开关组	141618001080	4296
R4SDC	6组9位CLAs30组9位寄存器组10组9位开关组	21242700540	5364
				R2<sup>2</sup>SDF	8组9位CLAs15组9位寄存器组10组9位开关组	28321350540	4722

随着设计中运算字长的增加，加法器所需的门电路资源数将以比存储器和开关快得多的速度增长，在此时，尤其是采用浮点加法器时，R2SD²F流水线及相应FFT处理器设计实现将更有吸引力。

基2蝶形运算：

流水线结构由第一蝶形处理单元和第二蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)构成，n表示延时拍数；上述两个蝶形处理单元均包括一个复数加法器、一个复数减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成；

②第一蝶形处理单元的工作步骤：

第一蝶形处理单元处于直通工作模式，各转换器控制输入数据进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝8，经过8拍延时后再经进入延时单元Delay(n)，此时的n＝4，最后输出，经过与相应旋转因子的乘以后进入第二蝶形处理单元；

③第二蝶形处理单元的工作步骤：

第二蝶形处理单元处于基2蝶形运算工作模式，步骤如下：

(3.1)流水第0～11拍：等待数据到达；

(3.2)流水第12～13拍：处理数据经过第一蝶形处理单元后到达，控制输入数据进入延时单元Delay(n)，此时的n＝2，整个流水过程中一直如此；

(3.3)流水第14拍：控制经过2拍延时后的第一个数据进下面的延时单元Delay(n)，实现基2蝶形运算操作数的对齐；

(3.4)流水第15拍：控制输入数据进入加减法器，开始基2蝶形运算，加法器运算结果输出到Dout，减法器运算结果经中间的延时单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出到Dout。

(3.5)即从第15拍开始流水建立，这以后操作按(3.3)，(3.4)操作以每两拍为一个循环进行，每拍从BPE-II的Dout端口顺序流出一个基2蝶形运算结果。

基4蝶形运算：

①按照图1与图2建立硬件资源和数据流的连接；

②BPE-I的工作步骤：BPE-I处于直通工作模式，与基2蝶形运算中②所述一致；

③BPE-II的工作步骤：BPE-II处于基4蝶形运算工作模式。

(3.1)流水第0～11拍：等待数据到达；

(3.2)流水第12～13拍：处理数据经过BPE-I后到达。控制输入数据经由Fouta进入延时单元Delay(2)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

(3.3)流水第14拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时单元Delay(1)，减法器输出进入延时单元Delay(2)，为第二级的基2蝶形运算准备数据；

(3.4)流水第15拍：输入数据继续进入加减法器，第一级基2蝶形运算继续进行中。加法器输出继续进入中间的延时单元Delay(1)，移出的数据经由Finb与Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)，实现第二级基2蝶形运算第一对数据的对齐。减法器输出继续进入延时单元Delay(2)；

(3.5)流水第16拍：这时BPE-II的Din端的数据已是第二批次的待处理数据，经由Fouta进入延时单元Delay(2)，准备开始又一次的流水操作，此时BPE-II的加减法器在两个批次的第一级基2蝶形运算间有2拍的处理时间，可以用来计算第一批次数据的第二级基2蝶形运算，加法器运算结果输出到Dout，减法器运算结果经中间的延时单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出到Dout。

(3.6)流水第17拍：BPE-II的加减法器计算该处理单元第一批次第二级的第二次基2蝶形运算，加法器运算结果由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出到Dout，而减法器结果则经由Foutb进入中间的延时单元Delay(1)后在经由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)实现串行化在第19拍输出到Dout。

(3.7)从第16拍开始流水建立，这以后操作按(3.3)，(3.4)，(3.5)，

(3.6)操作以每四拍为一个循环进行，每拍从BPE-II的Dout端口顺序流出一个基4蝶形运算结果。

基8蝶形运算：

①按照图1与图2建立硬件资源和数据流的连接；

②BPE-I的工作步骤：BPE-I处于基2蝶形运算工作模式。

(2.1)流水第0～7拍：控制Din输入数据经由Fouta进入延时单元Delay(8)，整个流水过程中一直如此；

(2.2)流水第8～11拍：控制经过8拍延时后的前四个数据经Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(4)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

(2.3)流水第12～15拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器运算结果输出到Dout，经过与相应旋转因子的乘以后进入BPE-II，减法器运算结果经中间的延时单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出到Dout；

(2.4)从第12拍开始，BPE-I流水建立，这以后操作按(2.2)，(2.3)操作以每八拍为一个循环进行，每拍从BPE-I的Dout端口顺序流出一个第一级基2蝶形运算结果。

③BPE-II的工作步骤：BPE-II处于基4蝶形运算工作模式。

(3.1)～3.6)操作与基4蝶形运算③中(3.1)～(3.6)所述一致，只是此时进行的分别是基8蝶形运算中的第二级与第三级；

(3.7)从第16拍开始整个流水线流水建立，这以后BPE-II操作按(3.3)，(3.4)，(3.5)，(3.6)操作以每四拍为一个循环进行，每拍从BPE-II的Dout端口顺序流出一个基8蝶形运算结果。

基16蝶形运算：

①按照图1与图2建立硬件资源和数据流的连接；

②BPE-I的工作步骤：BPE-I处于基4蝶形运算工作模式。

(2.1)流水第0～7拍：控制输入数据进入延时单元Delay(8)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

(2.2)流水第8～11拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时单元Delay(4)，减法器输出进入延时单元Delay(8)，为第二级的基2蝶形运算准备数据；

(2.3)流水第12～15拍：输入数据继续进入加减法器，第一级基2蝶形运算继续进行中。加法器输出继续进入中间的延时单元Delay(4)，移出的数据经由Finb与Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(4)，实现第二级基2蝶形运算前四对数据的对齐。减法器输出继续进入延时单元Delay(8)；

(2.4)流水第16～19拍：这时BPE-I的Din端的数据已是第二批次的待处理数据，经由Fouta进入延时单元Delay(8)，准备开始又一次的流水操作。此时BPE-I的加减法器在两个批次的第一级基2蝶形运算间有8拍的处理时间，可以用来计算第一批次数据的第二级基2蝶形运算，加法器运算结果输出到Dout，经过与相应旋转因子的乘以后进入BPE-II，减法器运算结果经中间的延时单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出到Dout。

(2.5)流水第20～23拍：BPE-I的加减法器计算第一批次第二级的后四次基2蝶形运算，加法器运算结果由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出到Dout，而减法器结果则经由Foutb进入中间的延时单元Delay(4)后在经由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(4)实现串行化在第28～31拍输出到Dout。

(2.6)从第16拍开始，流水建立，BPE-I流水建立，这以后操作按(2.2)，(2.3)，(2.4)，(2.5)操作以每十六拍为一个循环进行，每拍从BPE-I的Dout端口顺序流出一个基4蝶形运算结果。

③BPE-II的工作步骤：BPE-II处于基4蝶形运算工作模式。

(3.1)流水第0～15拍：等待数据到达；

(3.2)流水第16～17拍：处理数据经过BPE-I后到达。控制输入数据经由Fouta进入延时单元Delay(2)，实现第三级基2蝶形运算操作数的对齐；

(3.3)流水第18拍：控制输入数据进入加减法器，开始第三级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时单元Delay(1)，减法器输出进入延时单元Delay(2)，为第四级的基2蝶形运算准备数据；

(3.4)流水第19拍：输入数据继续进入加减法器，第三级基2蝶形运算继续进行中。加法器输出继续进入中间的延时单元Delay(1)，移出的数据经由Finb与Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)，实现第四级基2蝶形运算第一对数据的对齐。减法器输出继续进入延时单元Delay(2)；

(3.5)流水第20拍：这时BPE-II的Din端的数据已是该处理单元第二批次的待处理数据，经由Fouta进入延时单元Delay(2)，准备开始又一次的流水操作。此时BPE-II的加减法器在两个批次的第三级基2蝶形运算间有2拍的处理时间，可以用来计算该处理单元第一批次数据的第四级基2蝶形运算，加法器运算结果输出到Dout，减法器运算结果经中间的延时单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出到Dout。

(3.6)流水第21拍：BPE-II的加减法器计算该处理单元第一批次第二级的第二次基2蝶形运算，加法器运算结果由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出到Dout，而减法器结果则经由Foutb进入中间的延时单元Delay(1)后在经由Foutc进入图1中下面的延时单元Delay(1)实现串行化在第23拍输出到Dout。

(3.7)从第20拍开始整个流水线流水建立，这以后BPE-II操作按(3.3)，(3.4)，(3.5)，(3.6)操作以每四拍为一个循环进行，每拍从BPE-II的Dout端口顺序流出一个基16蝶形运算结果。

R2SD²F流水线及相应FFT处理器设计实现的可综合VHDL代码描述如下(代码中调用的模块Delay为通用延时单元，BF2为通用基2蝶形运算模块，MPYCF为通用旋转因子乘模块，它们不属于本发明专利创新范围，故不在此给出实现代码)：

library IEEE；

use IEEE.std_logic_1164.all；

entity FFTPPL is

    generic(

        DW    :integer:＝16；

        DL    :integer:＝64；

        log4DL:integer:＝3

          )；

     port(

         Din    :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

         rst    :in std_logic；

         clk    :in std_logic；

         Fren   :in  std_logic；

         Dout   :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

  end FFTPPL；

  architecture FFTPPL_arch of FFTPPL is

      component LPPLBF

         generic(

             DW  :integer:＝16；

             DLF      :integer:＝1)；

         port(

             Din   :in std_logic_vector(2*DW-1downto 0)；

             clk   :in std_logic；

             S     :in std_logic_vector(9 downto 0)；

             Dout  :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

  end component；

  component MPYCF

     port(

         Din  :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

         clk  :in std_logic；

         Dout :out std logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

  end component；

  component Ctrl

     port(

         rst    :in std_logic；

         clk    :in std_logic；

         Fren   :in std_logic；

         S      :out std_logic_vector(9 downto 0))；

  end component；

  type Dat_Array is array(0 to log4DL-1)of std logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

  signal Din_Dat，Dout_Dat:Dat_Array；

  signal S:std_logic_vector(9 downto 0)；

begin

  lp0:for I in 0 to log4DL-1 generate

        lp1:if i＝0 generate

            Din_Dat(I)＜＝Din；

            lp1_0:LPPLBF generic map(DLF＝＞DL/(4**(i+1)))

            port map(

                Din＝＞Din_Dat(I)，clk＝＞clk，s＝＞s，Dout＝＞Dout_Dat(I))；

        end generate；

        lp2:ifi＞0 generate

            lp2_1:MPYCF port map(

                Din＝＞Dout_Dat(I-1)，clk＝＞clk，Dout＝＞Din_Dat(I))；

            lp2_0:LPPLBF generic map(DLF＝＞DL/(4**(i+1)))

            port map(

                Din＝＞Din_Dat(I)，clk＝＞clk，s＝＞s，Dout＝＞Dout_Dat(I))；

        end generate；

    end generate；

    u_ctrl:Ctrl port map(

    rst＝＞rst，clk＝＞clk，Fren＝＞Fren，S＝＞S)；

end FFTPPL_arch；

library IEEE；

use IEEE.std_logic_1164.all；

entity LPPLBF is

    generic(

        DW  :integer:＝16；

        DLF      :integer:＝1

        )；

     port(

         Din    :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

         clk    :in std_logic；

         S      :in std_logic_vector(9 downto 0)；

         Dout   :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

  end LPPLBF；

architecture LPPLBF_arch of LPPLBF is

    signal Fouta，Foutb，Foutc:std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

    signal Fina，Finb，Finc:std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

    signal Bina，Binb，Bouta，Boutb:std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

         signal tmp0，tmp1，tmp2，tmp3:std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

    -------------------------------------------------------

    --Function of BF2

    --when Sel＝0

    --Bouta(2*DW-1 downto DW)＝Bina(2*DW-1 downto DW)+Binb(2*DW-1

downto DW)；

    --Bouta(DW-1 downto 0)＝Bina(DW-1 downto 0)+Binb(DW-1

downto 0)；

    --Boutb(2*DW-1 downto DW)＝Bina(2*DW-1 downto DW)-Binb(2*DW-1

downto DW)；

    --Boutb(DW-1 downto 0)＝Bina(DW-1 downto 0)-Binb(DW-1

downto 0)；

    --when Sel＝1

    --Bouta(2*DW-1 downto DW)＝Bina(2*DW-1 downto DW)+Binb(2*DW-1

downto DW)；

    --Bouta(DW-1 downto 0)＝Bina(DW-1 downto 0)-Binb(DW-1

downto 0)；

    --Boutb(2*DW-1 downto DW)＝Bina(2*DW-1 downto DW)-Binb(2*DW-1

downto DW)；

    --Boutb(DW-1 downto 0)＝Bina(DW-1 downto 0)+Binb(DW-1

downto 0)；

       component BF2

          port(

              Bina   :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

              Binb   :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

              Sel    :in std_logic；

              Bouta  :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

              Boutb  :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

        end component；

        --------------------------------------------

        component Delay

           generic(DLF  :integer:＝1)；

           port(

           Din    :in std_logic_vector(2*DW-1 downto 0)；

           clk    :in std_logic；

           Dout   :out std_logic_vector(2*DW-1 downto 0))；

       end component；

begin

    Bina＜＝Fine when s(0)＝′0′else Fina；

    Binb＜＝tmp0 when s(0)＝′0′else Din；

    tmp0＜＝Finb when s(1)＝′0′else Fina；

    tmp1＜＝Fina when s(2)＝′0′else Bouta；

    Foutc＜＝tmp1 when s(3)＝′0′else Finb；

    Foutb＜＝Boutb when s(4)＝′0′else Bouta；

    tmp2＜＝Din when s(5)＝′0′else Boutb；

    tmp3＜＝Bouta when s(6)＝′0′else Finb；

    Dout＜＝tmp3 when s(7)＝′0′else Finc；

    Fouta＜＝tmp2 when s(8)＝′0′else tmp2(DW-1 downto 0)&tmp2(2*DW-1 downtoDW)；

    u0:BF2 port map(

        Bina  ＝＞Bina，

        Binb  ＝＞Binb，

        Sel    ＝＞s(9)，

        Bouta  ＝＞Bouta，

        Boutb＝＞Boutb)；

    DelayA:Delay generic map(DLF＝＞DLF*2)

    port map(Din＝＞Fouta，clk＝＞clk，Dout＝＞Fina)；

    DelayB:Delay generic map(DLF＝＞DLF)

    port map(Din＝＞Foutb，clk＝＞clk，Dout＝＞Finb)；

    DelayC:Delay generic map(DLF＝＞DLF)

    port map(Din＝＞Foutc，clk＝＞clk，Dout＝＞Finc)；

end LPPLBF_arch；

FFTPPL为顶层源代码，它包含三个参数，分别是DW、DL、log4DL，分别表示数据宽度、变换长度和变换长度以4为底的对数。Ctrl模块是生成选通信号S的控制模块，它根据变换长度生成控制LPPLBF模块的选通信号，可根据需要按图3、4、5完成。

Claims (5)

1.基2单路深度延时反馈的流水线构成FFT处理器的实现方法，其特征在于，流水线的结构由四个复数加法器和一个复数乘法器以及两个蝶形处理单元组成，运算数据顺序流入，运算结果顺序流出；

上述蝶形处理单元是模式可编程的，选择基4、基2或直通模式，使长度为16的R2SD²F流水线能够分别用于计算基16、基8、基4和基2蝶形运算；

在流水线的每一级，均有三组延时寄存器，对于第p级来说，三组延时分别为：一组N/(2×4^p-1)拍延时Delay A，另外两组为N/4^p拍延时Delay B&C，在这里N等于16；即第一蝶形处理单元的输出分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到其输入端，而第二蝶形处理单元的输出端分别经过8、4、和4拍的延时反馈输入到同一蝶形处理单元的输入端；

第一蝶形处理单元的输出经过乘法器与旋转因子相乘后进入第二蝶形处理单元的一个输入端口，将两个蝶形处理单元联系起来构成完整的流水线，待处理数据从第一蝶形处理单元的一个端口流入，最终结果从第二蝶形处理单元输出端口流出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蝶形处理单元对基2蝶形运算按下列步骤进行：

流水线结构由第一蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)和第二蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)构成，n表示延时拍数；上述两个蝶形处理单元均包括一个复数加法器、一个复数减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成；

①第一蝶形处理单元的工作步骤：

第一蝶形处理单元处于直通工作模式，各转换器控制输入数据进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝8，经过8拍延时后再经进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝4，最后输出，经过与相应旋转因子的乘以后进入第二蝶形处理单元；

②第二蝶形处理单元的工作步骤：

第二蝶形处理单元处于基2蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～11拍：等待数据到达；

流水第12～13拍：处理数据经过第一蝶形处理单元后到达，控制输入数据进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝2，整个流水过程中状态保持一致不变；

流水第14拍：控制经过2拍延时后的第一个数据进下面的延时存储单元Delay(n)，实现基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第15拍：控制输入数据进入加减法器，开始基2蝶形运算，加法器运算结果输出，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出；

即从第15拍开始流水建立，这以后操作按以每两拍为一个循环进行，每拍从第二蝶形处理单元的端口顺序流出一个基2蝶形运算结果。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蝶形处理单元对基4蝶形运算按下列步骤进行：

流水线结构由第一蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)和第二蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)构成，n表示延时拍数；上述两个蝶形处理单元均包括一个复数加法器、一个复数减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成；

①第一蝶形处理单元的工作步骤：

第一蝶形处理单元处于直通工作模式，各转换器控制输入数据进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝8，经过8拍延时后再进入延时存储单元Delay(n)，此时的n＝4，最后输出，经过与相应旋转因子的乘以后进入第二蝶形处理单元；

②第二蝶形处理单元的工作步骤：

第二蝶形处理单元处于基4蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～11拍：等待数据到达；

流水第12～13拍：处理数据经过BPE-I后到达，控制输入数据进入延时存储单元Delay(2)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第14拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时存储单元Delay(1)，减法器输出进入延时存储单元Delay(2)，为第二级的基2蝶形运算准备数据；

流水第15拍：输入数据继续进入加减法器，第一级基2蝶形运算继续进行中，加法器输出继续进入中间的延时存储单元Delay(1)，移出的数据进入延时存储单元Delay(1)，实现第二级基2蝶形运算第一对数据的对齐，减法器输出继续进入延时存储单元Delay(2)；

流水第16拍：这时第二蝶形处理单元的数据已是第二批次的待处理数据，进入延时存储单元Delay(2)，准备开始又一次的流水操作，此时第二蝶形处理单元的加减法器在两个批次的第一级基2蝶形运算间有2拍的处理时间，可以用来计算第一批次数据的第二级基2蝶形运算，加法器运算结果输出，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出；

流水第17拍：第二蝶形处理单元的加减法器计算该处理单元第一批次第二级的第二次基2蝶形运算，加法器运算结果进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出，而减法器结果则进入中间的延时存储单元Delay(1)后在进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在第19拍输出；

从第16拍开始流水建立，这以后操作以每四拍为一个循环进行，每拍从第二蝶形处理单元的端口顺序流出一个基4蝶形运算结果。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蝶形处理单元对基8蝶形运算按下列步骤进行：

流水线结构由第一蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)和第二蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)构成，n表示延时拍数；上述两个蝶形处理单元均包括一个复数加法器、一个复数减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成；

①第一蝶形处理单元的工作步骤：

第一蝶形处理单元处于基2蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～7拍：控制输入数据进入延时存储单元Delay(8)，整个流水过程中状态保持一致不变；

流水第8～11拍：控制经过8拍延时后的前四个数据进入延时存储单元Delay(4)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第12～15拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器运算结果输出，经过与相应旋转因子的乘以后进入第二蝶形处理单元，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出；

从第12拍开始，第一蝶形处理单元流水建立，这以后操作以每八拍为一个循环进行，每拍从第一蝶形处理单元的端口顺序流出一个第一级基2蝶形运算结果；

②第二蝶形处理单元的工作步骤：

第二蝶形处理单元处于基4蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～11拍：等待数据到达；

流水第12～13拍：处理数据经过第一蝶形处理单元后到达，控制输入数据进入延时存储单元Delay(2)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第14拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时存储单元Delay(1)，减法器输出进入延时存储单元Delay(2)，为第二级的基2蝶形运算准备数据；

⑤流水第15拍：输入数据继续进入加减法器，第一级基2蝶形运算继续进行中，加法器输出继续进入中间的延时存储单元Delay(1)，移出的数据进入延时存储单元Delay(1)，实现第二级基2蝶形运算第一对数据的对齐，减法器输出继续进入延时存储单元Delay(2)；

流水第16拍：这时第二蝶形处理单元的数据已是第二批次的待处理数据，进入延时存储单元Delay(2)，准备开始又一次的流水操作，此时第二蝶形处理单元的加减法器在两个批次的第一级基2蝶形运算间有2拍的处理时间，可以用来计算第一批次数据的第二级基2蝶形运算，加法器运算结果输出，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出；

流水第17拍：第二蝶形处理单元的加减法器计算该处理单元第一批次第二级的第二次基2蝶形运算，加法器运算结果进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出，而减法器结果则进入中间的延时存储单元Delay(1)后进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在第19拍输出；

从第16拍开始整个流水线流水建立，这以后第二蝶形处理单元操作以每四拍为一个循环进行，每拍从第二蝶形处理单元端口顺序流出一个基8蝶形运算结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蝶形处理单元对基16蝶形运算按下列步骤进行：

流水线结构由第一蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)和第二蝶形处理单元及相应的延时存储单元Delay(n)构成，n表示延时拍数；上述两个蝶形处理单元均包括一个复数加法器、一个复数减法器、10组二选一转换开关及相应的连线组成；

①第一蝶形处理单元的工作步骤：

第一蝶形处理单元处于基4蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～7拍：控制输入数据进入延时存储单元Delay(8)，实现第一级基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第8～11拍：控制输入数据进入加减法器，开始第一级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时存储单元Delay(4)，减法器输出进入延时存储单元Delay(8)，为第二级的基2蝶形运算准备数据；

流水第12～15拍：输入数据继续进入加减法器，第一级基2蝶形运算继续进行中，加法器输出继续进入中间的延时存储单元Delay(4)，移出的数据经由Finb与Foutc进入延时存储单元Delay(4)，实现第二级基2蝶形运算前四对数据的对齐，减法器输出继续进入延时存储单元Delay(8)；

流水第16～19拍：这时第一蝶形处理单元的数据已是第二批次的待处理数据，进入延时存储单元Delay(8)，准备开始又一次的流水操作，此时第一蝶形处理单元的加减法器在两个批次的第一级基2蝶形运算间有8拍的处理时间，可以用来计算第一批次数据的第二级基2蝶形运算，加法器运算结果输出，经过与相应旋转因子的乘以后进入第二蝶形处理单元，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出；

流水第20～23拍：第一蝶形处理单元的加减法器计算第一批次第二级的后四次基2蝶形运算，加法器运算结果进入延时存储单元Delay(4)实现串行化在下一个四拍输出，而减法器结果则进入中间的延时存储单元Delay(4)后进入延时存储单元Delay(4)实现串行化在第28～31拍输出；

从第16拍开始，流水建立，第一蝶形处理单元流水建立，这以后操作以每十六拍为一个循环进行，每拍从第一蝶形处理单元端口顺序流出一个基4蝶形运算结果；

②第二蝶形处理单元的工作步骤：

第二蝶形处理单元处于基4蝶形运算工作模式，步骤如下：

流水第0～15拍：等待数据到达；

流水第16～17拍：处理数据经过第一蝶形处理单元后到达，控制输入数据进入延时存储单元Delay(2)，实现第三级基2蝶形运算操作数的对齐；

流水第18拍：控制输入数据进入加减法器，开始第三级基2蝶形运算，加法器输出进入中间的延时存储单元Delay(1)，减法器输出进入延时存储单元Delay(2)，为第四级的基2蝶形运算准备数据；

流水第19拍：输入数据继续进入加减法器，第三级基2蝶形运算继续进行中，加法器输出继续进入中间的延时存储单元Delay(1)，移出的数据进入延时存储单元Delay(1)，实现第四级基2蝶形运算第一对数据的对齐，减法器输出继续进入延时存储单元Delay(2)；

流水第20拍：这时第二蝶形处理单元的数据已是该处理单元第二批次的待处理数据，进入延时存储单元Delay(2)，准备开始又一次的流水操作，此时第二蝶形处理单元的加减法器在两个批次的第三级基2蝶形运算间有2拍的处理时间，可以用来计算该处理单元第一批次数据的第四级基2蝶形运算，加法器运算结果输出，减法器运算结果经中间的延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出；

流水第21拍：第二蝶形处理单元的加减法器计算该处理单元第一批次第二级的第二次基2蝶形运算，加法器运算结果进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在下一拍输出，而减法器结果则进入中间的延时存储单元Delay(1)后进入延时存储单元Delay(1)实现串行化在第23拍输出；

从第20拍开始整个流水线流水建立，这以后第二蝶形处理单元以每四拍为一个循环进行，每拍从第二蝶形处理单元的端口顺序流出一个基16蝶形运算结果。

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