DE2305095A1

DE2305095A1 - FLOW FOURIER CALCULATOR

Info

Publication number: DE2305095A1
Application number: DE19732305095
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Schaller
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1973-02-02
Publication date: 1974-08-08

Description

Durchfluß-Fourierrechner" Die Erfindung betrifft einen nach dem Algorithmus der Schnellen Fourier-'pransformation arbeitenden Durchfluß-Fourierrechner für kontinuierlichen Datendurchsatz (Transformationsgröße N =2m) mit m in Kette geschalteten Durchflußmodulen, deren Jeder aus der Kettenschaltung einer mit einer Umschalteinrichtung verbundenen Speichereinheit, deren serielle Speicherkapazität von Modul zu Modul um den Faktor 2 abnimmt, und einer Recheneinheit, die in allen Modulen gleich aufgebaut ist, besteht, wobei, für alle Modulen getrennt oder auch gemeinsam, ein fest gespeicherter Satz von trigonometrischen Koeffizienten verfügbar ist. Flow Fourier Calculator "The invention relates to one according to the algorithm the fast Fourier transform working flow Fourier calculator for continuous Data throughput (transformation size N = 2m) with m flow modules connected in a chain, each of which consists of the chain circuit of one connected to a switching device Storage unit, the serial storage capacity of which increases from module to module by the factor 2 decreases, and an arithmetic unit that has the same structure in all modules exists, where, for all modules separately or together, a permanently stored sentence of trigonometric coefficients is available.

Fig. 1 zeigt für das Beispiel Nr8 das bekannte Signal-Flußdiagramm eines Fourierrechners, der nach dem Algorithmus der Schnellen Fouriertransformation (angloamerikanisch: "Fast -Bourier Transform, abgekürzt FFT) arbeitet. Der Zeitreihenvektor x: (xOX X1, X2, ..., x7) wird hier in den Frequenzreihenvektor X: (X0, X1, X2, ... X7) transformiert.Fig. 1 shows the known signal flow diagram for example No. 8 of a Fourier computer, which works according to the algorithm of the fast Fourier transform (Anglo-American: "Almost -Bourier Transform, abbreviated FFT) works. The time series vector x: (xOX X1, X2, ..., x7) is here in the frequency series vector X: (X0, X1, X2, ... X7) transformed.

Eine Ausführungsform eines FFT-Rechners, die sich durch besonders hohe Durchsatzrate bzw. Echtzeit-Bandbreite auszeichnet, ist der Durchfluß-Fourierrechner (vgl. H. L. Croginsky, G.A. Works in IEEE Trans. Vol. C 19, 1970, Seiten 1015 ff.).An embodiment of an FFT calculator that is characterized by special The flow Fourier calculator is characterized by high throughput rates and real-time bandwidths (cf. H. L. Croginsky, G.A. Works in IEEE Trans. Vol. C 19, 1970, pages 1015 ff.).

Er enthält für jede der m Rekursionen der Schnellen Fouriertransformation - in Fig. 1 mit a bis c bezeichnet - einen eigenen "Durchflußmodul'Z, bestehend aus einer Recheneinheit und einer Speichereinheit. Jeder Durchflußmodul verknüpft seine Eingangsdaten paarweise nacheinander zu den Ausgangsdaten y gemäß dem Schema yI = XI + Ex yII = xII - # xII mit y = yr + jyi ; x = xr + åxi ; #=#r + j#i Die Eingangsdaten des ersten Moduls sind die Komponenten des Zeitreihenvektors x. Im Beispiel gemäß Fig. 1 werden die Eingangsdatenpaare Xo/X4, x1/x5, x2/x6 und x3/x7 nacheinander verknüpft. Die Ausgangsdaten des ersten Moduls sind zugleich die Eingangsdaten des zweiten. Da sie aber ersichtlich nicht in dor Paarung weiterverarbeitet werden können, wie sie analLen, müssen sie in einem Speicher, der eingangsseitiger Bestandteil des Moduls ist, zwischengespeichert werden Alle Module des Durchfluß-Fourierrechners sind zugleich tätig, wodurch sich bei gegebener GeschwindigKeit der Recheneinheit eine m-fach höhere Durchsatzrate gegeniiber einem FF-Rechner init nur einer Recheneinheit ergibt.It contains the fast Fourier transform for each of the m recursions - denoted in Fig. 1 with a to c - a separate "Durchflußmodul'Z, consisting from a computing unit and a memory unit. Each flow module is linked its input data in pairs one after the other to the output data y according to the scheme yI = XI + Ex yII = xII - # xII with y = yr + jyi; x = xr + åxi; # = # r + j # i The The input data of the first module are the components of the time series vector x. in the The example according to FIG. 1 is the input data pairs Xo / X4, x1 / x5, x2 / x6 and x3 / x7 linked one after the other. The output data of the first module are at the same time the Input data of the second. Since they are obviously not processed further in the pairing As they can be analyzed, they must be stored in a memory on the input side Part of the module is, all modules of the flow Fourier computer are cached are active at the same time, which means that the arithmetic unit an m-times higher throughput rate compared to an FF computer with only one processing unit results.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchsatzrate der bekannten Durchfluß-Fourierrechner weiter zu erhöhen, ohne kürzere Taktzeiten in den Recheneinheiten zu benötigen.The invention is based on the object, the throughput rate of the known To further increase the flow rate Fourier calculator without shorter cycle times in the arithmetic units to need.

Hierzu erfolgt im Sinne der Erfindung die gleichzeitige Verarbeitung zweier Zeitreihenvektoren.For this purpose, the simultaneous processing takes place within the meaning of the invention two time series vectors.

Der erfindungsgemäße Durchfluß-Fourierrechner ist dadurch gekeanzeichnet, daß zwei Dateneingänge für zwei gleichzeitig zu transformierende Datenströme vorgesehen sind, daß die Speichereinheiten der Durchflußmodule zwei Eingänge und zwei Ausgänge fiir ununterbrochenen Datendurchsatz besitzen, daß diese Eingänge und Ausgänge über eine Umschalteinrichtung zur wahlweisen parallelen oder gekreuzten Durchschaltung verbunden sind und daß die Speichereinheiten je einen seriellen Speicher in einer der Eingangsleit1lngen und in einer der Ausgangsleitungen eingefügt enthalten, wobei die Kapazität der beiden seriellen Speicher gleich ist und im k-ten Durchflußmodul (kx ... In, in Durchflußrichtung gezählt) gerade 2m k beträgt.The flow Fourier calculator according to the invention is characterized in that that two data inputs are provided for two data streams to be transformed at the same time are that the storage units of the flow modules have two inputs and two outputs For uninterrupted data throughput, these inputs and outputs have over a switching device for optional parallel or crossed connection are connected and that the storage units each have a serial Memory inserted in one of the input lines and in one of the output lines included, where the capacity of the two serial memories is the same and in the k-th The flow module (kx ... In, counted in the direction of flow) is just 2m k.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchfluß-Fourierrechners. Er besteht aus der Kettenschaltung von m Durchflußmodulen Jeder Durchflußmodul enthält seinerseits die Kettenschaltung aus einer Speichereinheit SEk und einer Recheneinheit RE. Die Speichereinheiten unterscheiden sich von Modul zu Modul in der Kapazität der seriellen Speicher SPks die, mit N/2 in jedem der seriellen Speicher der Speichereinheit SE1 beginnend, fortlaufend halbiert wird, bis sie in der letzten Speichereinheit SEm den Wert 1 erreicht.Fig. 2 shows an embodiment of the flow Fourier computer according to the invention. It consists of a chain connection of m flow modules. Each flow module contains in turn, the chain circuit made up of a memory unit SEk and a computing unit RE. The storage units differ in capacity from module to module the serial memories SPks die, with N / 2 in each of the serial memories of the storage unit SE1 starting, is continuously halved until it is in the last memory unit SEm reaches the value 1.

Zwischen den beiden Speichern SPk einer jeden Speichereinheit SE liegt jeweils eine Umschalteinrichtung U, die wahlweise ein paralleles oder gekreuztes Durchschalten (Polwender) ermöglicht.Between the two memories SPk of each memory unit SE is located each a switching device U, which can optionally be a parallel or crossed Through switching (pole reverser) enables.

Die Recheneinheiten RE sind in allen Durchflußmodulen gleich.The computing units RE are the same in all flow modules.

Sie verknüpfen ihre Eingangswerte xI, xII zu den Ausgangswerten y1, y11 nach dem bereits angegebenen Schema. Die hierzu benötigten trigonometrischen Koeffizienten werden den Recheneinheiten aus einem Festwertspeicher ROM zugeführt, der entweder für alle Recheneinheiten gemeinsam vorgesehen, oder für jede Recheneinheit einzeln und in seinem Wertevorrat angepaßt ausgeführt sein kann.They link their input values xI, xII to the output values y1, y11 according to the scheme already given. The trigonometric Coefficients are the arithmetic units from a read-only memory ROM supplied, which is either provided jointly for all processing units, or for each arithmetic unit individually and adapted in its value stock can.

Die Steuerung aller Abläufe im Durchfluß-Fourierrechner wird durch ein Steuerwerk ST (Mikroprogramm) vorgenommen, das seinerseits von einem Taktgenerator TG (Echtzeituhr) synchronisiert wird.The control of all processes in the flow Fourier computer is through a control unit ST (microprogram) made, in turn by a clock generator TG (real-time clock) is synchronized.

Die in der Fachliteratur hinlänglich beschriebene Funktion eines FFU-Rechners ist im besonderen Fall des erfindungsgemäßen Durchfluß-Fourierrechners folgendermaßen realisiert: Datenstrom 1 besteht aus der Zeitreihe xO, x1, x2, ..., X7 (Fig. 1), Datenstrom 2 aus der Zeitreihe xo', xl', x2' . ., X7' Die Umschalteinrichtung U in der Speichereinheit SE1 sei in der Stellung "parallel". In die beiden Speicher SP1 (a, b) des Durchfluß-Fourierrechners gemäß Fig. 2 gelangen mit fortschreitender Zeit die Daten x0, xl, x2, x3 und xO', x11, x2', x3'. Nach Zugang von N/2=4 Daten sind die beiden Speicher SP1 gefüllt. Jetzt wird die Umschalteinrichtung U der Speichereinheit SE1 vom Steuerwerk ST in die Stellung "gekreuzt" gebracht. Die neu- hinzukoninienden Daten des Datenstroms 1, nämlich x4, x5, x6, x7 gelangen nun unmittelbar auf den Eingang x11 der Recheneinheit RE im ersten Durchflußmodul, während die zuvor in a gespeicherten Daten am Eingang x1 der gleichen Recheneinheit verfügbar sind.The function of an FFU computer, which is sufficiently described in the specialist literature is as follows in the special case of the flow Fourier computer according to the invention realized: data stream 1 consists of the time series xO, x1, x2, ..., X7 (Fig. 1), Data stream 2 from the time series xo ', xl', x2 '. ., X7 'The switching device U in the memory unit SE1 is in the "parallel" position. In the two storages SP1 (a, b) of the flow Fourier computer according to FIG Time the data x0, xl, x2, x3 and xO ', x11, x2', x3 '. Upon receipt of N / 2 = 4 data the two memories SP1 are filled. The switching device U now becomes the storage unit SE1 brought into the "crossed" position by the control unit ST. The newly added coninites Data of the data stream 1, namely x4, x5, x6, x7 now arrive immediately on the input x11 of the arithmetic unit RE in the first flow module, while the previously data stored in a are available at the input x1 of the same processing unit.

In der Recheneinheit RE des Durchflußmoduls 1 werden die Datenpaare xo/x4 x1/x5 x2/x6 X3/X7 verknüpft, so wie es das Signalflußdiagramm der Fig. 1 vorschreibt. Während dieser Zeit gelangen aus dem Datenstrom 2 die Werte x4t, x5', x6', x7' in den Speicher b des Durchflußmoduls 1. Zugleich werden die zuvor dort in b enthaltenen Daten über die Umschalteinrichtung U nach a transferiert. Auf diese Weise sind nach erfolgter Verknüpfung der Datenpaare xo/x4 ... X3/X7 die Daten des Datenstroms'2 gerade in geordneter Bereitschaft fiir ihre Verknüpfung in der Recheneinheit .Dazu wird die Umschalteinrichtung wieder in die Stellung "parallel" gebracht. Aus den Speichern a und b fließen die Datenpaare x01/x41, x1'/x5', x2,/x61, x3'/X7' in die Recheneinheit, wo sie verknüpft werden. In dem Maße, wie sich die Speicher a und b so von den Altdaten entleeren, strömen neue Daten der Datenströme 1 und 2 aus den nächsten Zeitreihenvektoren nach, womit das Spiel von vorn beginnt.In the computing unit RE of the flow module 1, the data pairs xo / x4 x1 / x5 x2 / x6 X3 / X7 linked, as the signal flow diagram of FIG. 1 prescribes. During this time, the values x4t, x5 ', x6', x7 'in come from the data stream 2 the memory b of the flow module 1. At the same time, the previously contained there in b Data transferred via the switching device U to a. This way are after when the data pairs xo / x4 ... X3 / X7 have been linked, the data of the data stream'2 just in orderly readiness for their linking in the arithmetic unit the switching device is brought back to the "parallel" position. From the The data pairs x01 / x41, x1 '/ x5', x2, / x61, x3 '/ X7' flow into the Arithmetic unit where they are linked. To the extent that memories a and b so empty of the old data, new data streams 1 and 2 flow out the next time series vectors, with which the game starts over.

In allen folgenden Durchflußmodulen wiederholt sich sinngemäß das gleiche, mit dem Unterschied, daß die Zeitspannen zwischen den Stellungswechseln der Umschalteinrichtungen entsprechend den abnehmenden Speicherkapazitäten kürzer werden und daß an die Stelle der Datenströme 1 und 2 die Wertefolgen yI.und Y aus den vorhergehenden Recheneinheiten treten. So wird das Signalflußdiagramm (Fig. 1) Rekursion für Rekursion in getrennten Durchflußmodulen abgearbeitet, Die jeweils benötigten Festwerte werden den Recheneinheiten aus dem Festwertspeicher ROM zugeliefert.This is repeated in all the following flow modules same, with the difference that the time spans between the position changes the switching devices accordingly the decreasing storage capacities become shorter and that instead of the data streams 1 and 2, the value sequences yI.and Y step out of the preceding arithmetic units. So will the signal flow diagram (Fig. 1) Recursion for recursion processed in separate flow modules, The Fixed values required in each case are taken from the arithmetic units from the read-only memory ROM supplied.

Die Ergebnisse einer Transformation erscheinen am Ausgang nach einiger Verzögerung, so daß sich in dem Rechner zu jedem Zeitpunkt Daten in verschiedenen Stadien ihrer Verarbeitung aus mehreren Vektoren 1 und 2 befinden. Der Zeitdatenstrom fließt gewissermaßen durch den Rechner hindurch und wird dabei Rekursion für Rekursion in einen Frequenzdatenstrom umgearbeitet; daher der Name Durchfluß-Pourierrechner, Die Schiebetaktfrequenz der seriellen Speicher SPk ist mit der Durchsatzrate der Recheneinheiten für Datenpaare und zugleich natürlich mit der Datenrate in jedem der beiden Eingangsdatenströme 1 und 2 identisch. Es gibt keine Totzeiten, da alle drei Takte kontinuierlich, ohne Unterbrechungen, laufen. Dabei erfordert die paarige Datenverarbeitung der Recheneinheiten notwendig einen "zweigleisigen" Datendurchsatz des Durchfluß-Fourierrechners.The results of a transformation appear at the exit after a few Delay, so that data in different in the computer at any time Stages of their processing from several vectors 1 and 2 are located. The time stream flows through the computer, so to speak, and becomes recursion after recursion converted into a frequency data stream; hence the name flow-pouring calculator, The shift clock frequency of the serial memory SPk is with the throughput rate of the Computing units for data pairs and at the same time, of course, with the data rate in each of the two input data streams 1 and 2 are identical. There are no dead times as all three clocks run continuously, without interruptions. This requires the paired Data processing of the arithmetic units requires a "two-pronged" data throughput of the flow Fourier calculator.

Die Ausgangsdaten fallen für das Beispiel N=8 in der Reihenfolge xo, x4, x2, x6, x1, x5, x3, x7, x0', x4', X', x6', X11, x5', x3', x7' an. Die so aus den Datenströmen 1 und 2 in Zeit multiplex entstehende Ausgangsfolge besitzt gegeniiber dem Eingang den doppelten Datentakt. Die Reihenfolge der ausgegebenen Spektralwerte ist ungeordnet. Sie wird angloamerikanisch als bit reversed order" bezeichnet, was besagt, daß die Indizes, bei-binärer Schreibweise, aus der natürlichen Ordnung 0, 1, 2, 3 ... durch Rückwärtslesen entsteht: dezimal 0 1 2 3 4 5 6 7 dual 000 001 010 011 100 101 110 111 dual 000 100 010 110 001 101 011 111 dezimal 0 4 2 6 1 5 3 7 lJie besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Durchfluß-Fourlerrechners gegenüber dem Stand der Technik sind: a) Die Rechenzeit der Recheneinheit RE pro Datenpaar ist nicht mehr auf einen Bruchteil eines Schiebetaktschrittes des zugehörigen seriellen Speichers beschränkt, da der serielle Speicher richt - wie es gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist - sowohl Eingangswerte für die Recheneinheit liefern ans auch ihre Ausgangswerte aufnehmen muß, wodurch maximale doe/ Durchsatzrate beschränkt wurde. Vielmehr ist es nach dem erfindungsgemäßen Schema möglich, beliebig viele Daktschritte (Durchflußschema).For the example N = 8, the output data fall in the order xo, x4, x2, x6, x1, x5, x3, x7, x0 ', x4', X ', x6', X11, x5 ', x3', x7 'an. That look like this the time-multiplexed output sequence has opposite the data streams 1 and 2 the input twice the data clock. The order of the output spectral values is disordered. It is called in Anglo-American as a bit reversed order ", what means that the indices, in binary notation, come from the natural order 0, 1, 2, 3 ... by reading backwards results: decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 dual 000 001 010 011 100 101 110 111 dual 000 100 010 110 001 101 011 111 decimal 0 4 2 6 1 5 3 7 lJie particular advantages of the flow Fourler computer according to the invention over the prior art are: a) The computing time of the computing unit RE per data pair is no longer a fraction of a shift clock step of the associated serial Memory is limited because the serial memory is correct - as it is according to the state of the Technology is required - both input values for the processing unit provide must also record their initial values, which limits maximum doe / throughput rate became. Rather, it's after that inventive scheme possible, any number of steps (flow diagram).

für die Verknüpfung eines Datenpaares zu reservieren/ Diese Möglichkeit läßt bei gegebenem technischen Aufwand eine höhere Durchsatzrate in der Recheneinheit zu. to reserve for the connection of a data pair / this possibility leaves a higher throughput rate in the arithmetic unit for a given technical effort to.

b) Die Totzeiten der Rechenmodulen entfallen. Dadurch wird die Durchsatzrate zusätzlich um den Faktor 2 erhöht.b) The dead times of the computing modules do not apply. This will increase the throughput rate additionally increased by a factor of 2.

c) Der Aufbau jedes Kettengliedes wird infolge Wegfalls eines Teils der Umschalter einfacher.c) The structure of each chain link is due to the omission of a part the switch easier.

Claims

P a t e n t a n 5 p r u c h

Working according to the Fast Fourier Transform algorithm Flow Fourier calculator for continuous data throughput (transformation quantity No. 2n) with m flow modules connected in a chain, each of which is from the chain circuit a memory unit connected to a switching device, the serial Storage capacity decreases by a factor of 2 from module to module, and a computing unit, which is structured in the same way in all modules, whereby, separately for all modules or together, a permanently stored set of trigonometric coefficients is available, characterized in that two data inputs for two at the same time Data streams to be transformed are provided that the storage units of the flow modules have two inputs and two outputs for uninterrupted data throughput that these inputs and outputs via a switching device to the optional parallel or cross-connection are connected and that the memory units each one serial memory in one of the input lines and in one of the output lines included, where the capacity of the two serial memories is the same and in the kth flow module (k = 1, 2, .., counted in the flow direction) just 2m-k amounts to.

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