CN101499987B - 低复杂度通用时频变换实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低复杂度通用时频变换实现方法，在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零值组成点的新序列
对新序列使用库勒-图格FFT(Cooley-Tukey FFT)结构进行FFT运算得到中间结果
对中间结果
进行采样率比为的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的FFT结果。本发明还公开了一种实现低复杂度通用时频变换的装置。本发明在不改变系统采样率的基础上，基于单一和固定的蝶形结构，实现快速计算任意N点FFT。适用于任何需要进行任意点FFT处理的系统，如数字电视地面广播系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线信号传输领域，特别是涉及一种低复杂度通用时频变换实现方法；本发明还涉及一种实现低复杂度通用时频变换的装置。
背景技术
离散傅立叶变换(FFT)是数字信号分析和处理领域常用的时频变换处理单元，也是采用OFDM(正交频分复用)多载波技术的通信系统中必备的处理单元。在此类通信系统的发射端，需要逆离散傅立叶变换(IFFT)以获得正交多载波信号，在接收端，需要FFT将多载波信号解调出来。实际上，IFFT可以通过FFT输入输出的实虚部分别对调来实现。
在欧洲地面数字电视标准DVB-T/H中就需要2048、4096、8192点FFT运算单元，因为点数都是2的整数次幂，所以可以采用库里-图格FFT(Cooley-Tukey FFT)结构，只需要基2一种蝶形运算单元。但是，E3G(Evolved 3G演化版3G)中的LTE(Long Term Evolution长期演化)使用了非2幂次的1536点FFT。在我国地面数字电视国家标准(GB20600-2006)中，需要3780点FFT运算单元，也不是2的整数次幂。以3780点FFT为例，一般采用特殊的混合基分解结构，这就需要基3、4、5、7、9多种蝶形运算单元和复杂的控制逻辑。此外，在参考文献(Zhi-XingYang，Yu-Peng Hu，Chang-Yong Pan，and Lin Yang，″Design of 3780-Point IFFTProcessor for TDS-OFDM″，Trans of the IEEE on Broadcasting，Vol.48，No.1，March2002.)中还提到可以利用4096点FFT和内插来实现3780点FFT，但是这需要改变原有系统采样率7.56Msps，也就是在8.192Msps采样率上来进行，这会增加同步处理上的复杂性。
在设计融合支持多标准的接收机时，如果采用基2加上基3、4、5、7、9多种蝶形运算单元实现结构，由于运算单元复用度差，逻辑复杂，会导致难以承受的硬件实现复杂度。如果采用变采样率内插FFT方法，采样率变化所带来的硬件实现复杂度同样令人难以接受。这就需要一种不改变系统采样率的并且运算单元可以复用的快速进行任意点FFT操作的实现方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低复杂度通用时频变换实现方法，在不改变系统采样率的基础上，基于单一和固定的蝶形结构，实现快速计算任意N点FFT；为此，本发明还要提供一种实现低复杂度通用时频变换的装置。
为解决上述技术问题，本发明的低复杂度通用时频变换实现方法包括以下步骤：
在输入序列x(n)的大致中间位置插入个零值组成
点的新序列其中，
对新序列
使用库里-图格FFT(Cooley-Tukey FFT)结构进行FFT运算得到中间结果
对中间结果
进行采样率比为的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的FFT或逆FFT结果。
本发明的实现低复杂度通用时频变换的装置，包括存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块、以及存储器，其中所述快速傅立叶变换模块和采样变换模块分时复用所述的存储器；
所述存储器控制模块，用于在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零值组成
点的新序列
所述快速傅立叶变换模块，与所述存储器控制模块连接，用于对新序列
使用库勒-图格FFT结构进行FFT运算或逆FFT运算得到中间结果
所述采样变换模块，与所述存储器控制模块连接，对中间结果
进行采样率比为
的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的FFT或逆FFT结果；
所述存储器，与存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块连接，用于存储变换所需的数据。
由于采用本发明的方法，无需改变系统采样率，运算单元复用度高，控制简单，通用型强。无需改变系统采样率，意味着在同一时钟域上，不会增加同步处理上的复杂性，通过简单的控制，利用完全相同的一套资源，可以实现任意点FFT操作或逆FFT操作，因而具有很强的通用性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明的低复杂度通用时频变换实现方法的控制流程示意图；
图2是实现图1所示方法的装置结构示意图；
图3是图2中的存储器控制模块内数据准备示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明所述的低复杂度通用时频变换实现方法主要包括以下步骤：
步骤一、在输入序列x(n)(n为任意N点)的大致中间位置插入
个零值组成
点的新序列
其中，
步骤二、对新序列
使用库勒-图格FFT结构进行FFT运算或逆FFT运算得到中间结果
步骤三、对中间结果
进行采样率比为
的数字采样转换即可得到N点的原始输入序列的FFT或逆FFT结果。
数字采样转换本质上是一个内插器，内插器可以有多种实现方式，比如可以采用多项式、样条、拉格朗日内插等。这取决于对精度有不同要求的应用场合。此外，还可以加入上采样单元以提高内插精度。
实施步骤一时，插入
个零值在输入序列x(n)的正中间效果最好，但是如果略偏几个点也是可以的，只是效果略差而已，亦可完成本发明。例如当N为奇数时，可以选择输入序列x(n)的前半部分多一个点，或者选择后半部分多一个点，而不是完全正中间的位置。
实施步骤二、三时，FFT与逆FFT共享一套完全相同的FFT操作，具体的方法例如可以采用，将FFT的输入与输出的实虚部分别对调，即完成了用FFT实现逆FFT的操作。
本发明的上述方法可以采用图2所示的装置实施。
参见图2所示，该装置包括存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块、以及存储器四大部分，其中快速傅立叶变换模块和采样变换模块分时复用一个存储器。
存储器控制模块，用于在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零值组成
点的新序列
它包括：
索引号选择器，用于选择快速傅立叶变换模块或采样变换模块输入的索引号。
地址映射器，与索引号选择器连接，用于将索引号选择器所选择的索引号映射成存储器的物理地址。
存储器控制模块内数据准备的过程是：
将N点数据根据图3所示分成两部分，在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零，并计算出新的索引号。该操作为将N点数据写入存储器控制模块新索引号对应的地址中，将中间空的地址内插入0值。
所述快速傅立叶变换模块，对新序列
使用库勒-图格FFT结构进行FFT运算或逆FFT运算得到中间结果
它包括：一控制器、旋转因子表格单元、蝶形运算单元。
所述控制器包括：
第一索引号生成器，与存储器控制模块的索引号选择器连接，用于根据当前级数计数器及当前蝶形运算计数器的值计算出所需要蝶形计算的两个点的索引号。
级数计数器，与第一索引号生成器连接，用于实现统计FFT操作中的级数。
蝶形运算计数器，与第一索引号生成器连接，用于实现统计FFT操作中的蝶形运算。
旋转因子索引号生成器，与第一索引号生成器连接，用于根据第一索引号生成器产生的索引号来产生旋转因子索引号，并输出给旋转因子表格，查找出当前蝶形运算所需要的旋转因子。
所述旋转因子表格单元，与旋转因子索引号生成器连接，用于参与完成蝶形运算操作。
所述蝶形运算单元，与旋转因子表格单元连接，并与所述存储器连接，进行数据交换，用于实现统计FFT中的蝶形运算操作。
所述快速傅立叶变换模块进行一次蝶形运算的过程是：
第一索引号生成器根据当前级数计数器及当前蝶形运算计数器的值计算出所需要蝶形计算的两个点的索引号。根据此索引号，向存储器控制模块读取对应的数据。同时通过旋转因子索引号生成器将索引号变换成对应的旋转因子索引号。
经过旋转因子表格单元查表，将从旋转因子表格单元和存储器控制模块读取的数据(该数据被存储在所述存储器中)一同输入蝶形运算单元。
将蝶形运算单元数据输出写回读取本次蝶形运算的数据时的存储器的那个索引号。
每次蝶形运算完成后，蝶形运算计数器便自动加一。同时索引号生成器便生成下一次的蝶形运算索引号。每N/2次蝶形运算完成后，级数计数器便自动加一。同时蝶形运算计数器自动清零，第一索引号生成器生成新一级的蝶形运算索引号。一共进行m级的计算后，N点的快速傅立叶变换结束，同时所有结果都回写进存储器。这里m的计算式为
所述采样变换模块，对中间结果进行采样率比为
的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的FFT或逆FFT结果。它包括：
第二索引号生成器，与存储器控制模块的索引号选择器连接，用于产生采样变换计算所需要读出和写入的数据的索引号。
数字采样转换单元，与第二索引号生成器连接，用于形成采样变换后的数据。根据第二索引号生成器读取的索引号向存储器读取对应的快速傅立叶变换结果数据。将读取的数据输入采样变换模块，采用拉格朗日内插方法完成样点速率转换操作。当然，原理上也可以采用多项式、样条等其他诸多内插方法。这取决于对实现复杂度及精度有不同要求的应用场合。
所述存储器，与存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块连接，用于存储变换所需的数据。
需要说明的是，该具体实现只是用来体现这种低复杂度通用时频变换实现方法的一个具体实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种低复杂度通用时频变换实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零值组成
点的新序列其中，
2)对新序列使用库勒-图格离散傅立叶变换FFT结构进行离散傅立叶变换FFT运算或逆离散傅立叶变换IFFT运算得到中间结果
3)对中间结果
进行采样率比为的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的离散傅立叶变换FFT或逆离散傅立叶变换IFFT结果。
2.如权利要求1所述的低复杂度通用时频变换实现方法，其特征在于：所述数字采样转换采用多项式、样条或拉格朗日内插方法实现。
3.如权利要求1所述的低复杂度通用时频变换实现方法，其特征在于：实施步骤2、3时，离散傅立叶变换FFT与逆离散傅立叶变换IFFT共享一套完全相同的离散傅立叶变换FFT操作，将离散傅立叶变换FFT的输入与输出的实虚部分别对调，即完成用离散傅立叶变换FFT实现逆离散傅立叶变换IFFT的操作。
4.一种实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，包括存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块、以及存储器，其中所述快速傅立叶变换模块和采样变换模块分时复用所述的存储器；
所述存储器控制模块，用于在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零值组成点的新序列
所述快速傅立叶变换模块，与所述存储器控制模块连接，用于对新序列使用库勒-图格离散傅立叶变换FFT结构进行离散傅立叶变换FFT运算或逆离散傅立叶变换IFFT运算得到中间结果
所述采样变换模块，与所述存储器控制模块连接，对中间结果
进行采样率比为
的数字采样转换，得到N点的原始输入序列的离散傅立叶变换FFT或逆离散傅立叶变换IFFT结果；
所述存储器，与存储器控制模块、快速傅立叶变换模块、采样变换模块连接，用于存储变换所需的数据。
5.如权利要求4所述的实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，所述存储器控制模块包括：
索引号选择器，用于选择快速傅立叶变换模块或采样变换模块输入的索引号；
地址映射器，与索引号选择器连接，用于将索引号选择器所选择的索引号映射成存储器的物理地址。
6.如权利要求5所述的实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，所述存储器控制模块内数据准备的过程是：将N点数据在输入序列x(n)的大致中间位置插入
个零，并计算出新的索引号，将N点数据写入存储器控制模块新索引号对应的地址中，将中间空的地址内插入0值。
7.如权利要求5所述的实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，所述快速傅立叶变换模块包括：一控制器、旋转因子表格单元、蝶形运算单元；
所述控制器包括：
第一索引号生成器，与存储器控制模块的索引号选择器连接，用于根据当前级数计数器及当前蝶形运算计数器的值计算出所需要蝶形计算的两个点的索引号；
级数计数器，与第一索引号生成器连接，用于实现统计FFT操作中的级数；
蝶形运算计数器，与第一索引号生成器连接，用于实现统计FFT操作中的蝶形运算；
旋转因子索引号生成器，与第一索引号生成器连接，用于根据第一索引号生成器产生的索引号来产生旋转因子索引号，并输出给旋转因子表格单元，查找出当前蝶形运算所需要的旋转因子；
所述旋转因子表格单元，与旋转因子索引号生成器连接，用于参与完成蝶形运算操作；
所述蝶形运算单元，与旋转因子表格单元连接，并与所述存储器连接，进行数据交换，用于实现统计FFT中的蝶形运算操作。
8.如权利要求7所述的实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，所述快速傅立叶变换模块进行一次蝶形运算的过程是：
第一索引号生成器根据当前级数计数器及当前蝶形运算计数器的值计算出所需要蝶形计算的两个点的索引号；根据此索引号，向存储器控制模块读取对应的数据；同时通过旋转因子索引号生成器将索引号变换成对应的旋转因子索引号；
经过旋转因子表格单元查表，将从旋转因子表格单元和存储器控制模块读取的数据一同输入蝶形运算单元；
将蝶形运算单元数据输出写回读取本次蝶形运算的数据时的存储器的那个索引号；
每次蝶形运算完成后，蝶形运算计数器便自动加一；同时第一索引号生成器便生成下一次的蝶形运算索引号；每N/2次蝶形运算完成后，级数计数器便自动加一；同时蝶形运算计数器自动清零，第一索引号生成器生成新一级的蝶形运算索引号；一共进行m级的计算后，N点的快速傅立叶变换结束，同时所有结果都回写进存储器；这里m的计算式为
9.如权利要求5所述的实现低复杂度通用时频变换的装置，其特征在于，所述采样变换模块包括：
第二索引号生成器，与存储器控制模块的索引号选择器连接，用于产生采样变换计算所需要读出和写入的数据的索引号；
数字采样转换单元，与第二索引号生成器连接，用于形成采样变换后的数据；根据第二索引号生成器读取的索引号向存储器读取对应的快速傅立叶变换结果数据；将读取的数据输入采样变换模块，采用拉格朗日内插方法，或多项式、样条内插方法完成样点速率转换操作。
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