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通過推出可用FPGA實現(xiàn)的信號處理構(gòu)建模塊,RF Engines公司創(chuàng)造了一項有價值的知識產(chǎn)權(quán)(IP)業(yè)務(wù)。該公司不僅現(xiàn)貨供應(yīng)一系列濾波器和其它一些更特殊的構(gòu)建模塊,還提供客戶定制服務(wù)以便使一項功能符合某個特定FPGA的特定性能范圍。一組快速傅立葉變換(FFT)模塊就是這日顯重要的系列產(chǎn)品中的一部分。
傳統(tǒng)的FFT市場正在擴(kuò)大,RF Engines公司的技術(shù)銷售主管Simon Underhay最近表示。自從FFT算法發(fā)明以來,它就被廣泛應(yīng)用,以實現(xiàn)時域和頻域之間數(shù)組的轉(zhuǎn)移。大部分時候,這種方法用于譜分析。向?qū)拵?lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(例如WiMAX)和超寬帶通信的發(fā)展趨勢已經(jīng)對寬頻譜測試設(shè)備產(chǎn)生了一個緊迫的需求。
這些需求促使RF Engines公司推出兩款新標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品IP設(shè)備:一個是HyperSpeed模塊,另一個是HyperLength FFT模塊。這兩種設(shè)計都利用該公司現(xiàn)有的IP資源構(gòu)建,但達(dá)到了新的性能級別。
就HyperSpeed來說,RF Engines公司設(shè)計了一個模塊化架構(gòu),利用許多并行工作的FFT引擎并把它們的運算結(jié)果結(jié)合起來,從而產(chǎn)生具有極高輸入采樣速率的實時FFT:高可達(dá)。有必要注意的是,這些是在FPGA上實現(xiàn)的。
實現(xiàn)的基本技巧是把輸入的數(shù)據(jù)混在一起,然后分配到多個FFT模塊之中,Underhay透露。在這樣高的速率下,有必要使用的不僅是外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而且還有為此目的設(shè)計的外部多路復(fù)用器芯片。這會將輸入數(shù)據(jù)速率降低到FPGA可接受的程度,大概在200MHz范圍。
第二個多路復(fù)用器措施是把該數(shù)據(jù)速率降低到可以被FFT單元庫處理的程度。這些單元的運算結(jié)果在一個復(fù)雜的乘法器和隨后的離散傅立葉變換模塊中再次結(jié)合,產(chǎn)生一組并行輸出。這個結(jié)果是首批答案中的一個,可以看到從實時多GHz信號中提取到的頻域數(shù)據(jù)。
一個與眾不同的模塊組合產(chǎn)生了HyperLength架構(gòu)。Underhay解釋說,在一些新出現(xiàn)的應(yīng)用中,分辨率要求非常高,以致于用于FFT的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)長度(1K到幾K個樣本)根本不夠。但通過利用整數(shù)變換計算,就有可能完成極長的FFT運算而又無須大量的并行硬件。
在HyperLong架構(gòu)中,一對管道式FFT引擎連同一個復(fù)雜的倍增器庫和一個外部存儲器一起使用。該存儲器巧妙地實現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)角交換,從而給數(shù)據(jù)重新排序。FFT和重新排序進(jìn)程的結(jié)合產(chǎn)生了一個非常長的變換:用現(xiàn)有的外部SRAM技術(shù)可以達(dá)到大約100萬點。
RF Engines公司指出,通過外部SDRAM與FPGA上內(nèi)部SRAM資源的結(jié)合,可能實現(xiàn)甚至更長的FFT,但帶寬會受損。雙數(shù)據(jù)速率DRAM的使用意味著RF Engines公司不得不設(shè)計更加專用的DRAM控制器模塊,因為進(jìn)出該存儲器的實際帶寬成為變換帶寬中的限制因素。
該公司依據(jù)其數(shù)據(jù)規(guī)格提供了兩個樣本設(shè)計,一個用于200MHz帶寬的100萬點FFT,另一個用于10MHz帶寬的256萬點變換。由于這些設(shè)計靠基本的信號處理模塊構(gòu)建,而且RF Engines公司已經(jīng)仔細(xì)構(gòu)造了這些基本模塊以便復(fù)用,因此適合一組特定需求的HyperSpeed或HyperLength引擎幾天內(nèi)就可以由該公司配置。
這種服務(wù)使得用戶的使用變得很簡單。但Underhay指出,從頭開始創(chuàng)造一個FFT模塊可不是件輕松的事情。連同詳細(xì)的理解該算法,RF Engines公司很艱難地最終對FPGA架構(gòu)以及設(shè)計工具的特殊性有了一個全面了解。“這些工具近年來有了改進(jìn),”公司的首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官John Lillington表示,“但仍然有必要學(xué)會克服它們的局限性。”Underhay舉了最近的一個設(shè)計示例,該設(shè)計采用賽靈思公司的Virtex Pro器件實現(xiàn)。在這個器件上90%的邏輯單元得到了使用,整個設(shè)計達(dá)到190MHz的工作頻率。
除了出色的設(shè)計技巧外,RF Engines公司在其架構(gòu)中還采用快速重新配置。Lillington說,不管許多設(shè)計者怎么想,快速重新配置既不需要對整個FPGA重新編程,也不需要實際打斷通過該器件的數(shù)據(jù)流。他預(yù)言這種方法的應(yīng)用在未來會持續(xù)增加。
作者:張國勇
