RF Engines推出采样速率达3.2Gsps的FFT模块

通过推出可用FPGA实现的信号处理构建模块,RF Engines公司创造了一项有价值的知识产权(IP)业务。该公司不仅现货供应一系列滤波器和其它一些更特殊的构建模块,还提供客户定制服务以便使一项功能符合某个特定FPGA的特定性能范围。一组快速傅立叶变换(FFT)模块就是这日显重要的系列产品中的一部分。

传统的FFT市场正在扩大,RF Engines公司的技术销售主管Simon Underhay最近表示。自从FFT算法发明以来,它就被广泛应用,以实现时域和频域之间数组的转移。大部分时候,这种方法用于谱分析。向宽带联网标准(例如WiMAX)和超宽带通信的发展趋势已经对宽频谱测试设备产生了一个紧迫的需求。

这些需求促使RF Engines公司推出两款新标准产品IP设备:一个是HyperSpeed模块,另一个是HyperLength FFT模块。这两种设计都利用该公司现有的IP资源构建,但达到了新的性能级别。

就HyperSpeed来说,RF Engines公司设计了一个模块化架构,利用许多并行工作的FFT引擎并把它们的运算结果结合起来,从而产生具有极高输入采样速率的实时FFT:高可达3.2Gsample/s。有必要注意的是,这些是在FPGA上实现的。

实现的基本技巧是把输入的数据混在一起,然后分配到多个FFT模块之中,Underhay透露。在这样高的速率下,有必要使用的不仅是外部的模数转换器,而且还有为此目的设计的外部多路复用器芯片。这会将输入数据速率降低到FPGA可接受的程度,大概在200MHz范围。

第二个多路复用器措施是把该数据速率降低到可以被FFT单元库处理的程度。这些单元的运算结果在一个复杂的乘法器和随后的离散傅立叶变换模块中再次结合,产生一组并行输出。这个结果是首批答案中的一个,可以看到从实时多GHz信号中提取到的频域数据。

一个与众不同的模块组合产生了HyperLength架构。Underhay解释说,在一些新出现的应用中,分辨率要求非常高,以致于用于FFT的传统数据长度(1K到几K个样本)根本不够。但通过利用整数变换计算,就有可能完成极长的FFT运算而又无须大量的并行硬件。

在HyperLong架构中,一对管道式FFT引擎连同一个复杂的倍增器库和一个外部存储器一起使用。该存储器巧妙地实现了一个转角交换,从而给数据重新排序。FFT和重新排序进程的结合产生了一个非常长的变换:用现有的外部SRAM技术可以达到大约100万点。

RF Engines公司指出,通过外部SDRAM与FPGA上内部SRAM资源的结合,可能实现甚至更长的FFT,但带宽会受损。双数据速率DRAM的使用意味着RF Engines公司不得不设计更加专用的DRAM控制器模块,因为进出该存储器的实际带宽成为变换带宽中的限制因素。

该公司依据其数据规格提供了两个样本设计,一个用于200MHz带宽的100万点FFT,另一个用于10MHz带宽的256万点变换。由于这些设计靠基本的信号处理模块构建,而且RF Engines公司已经仔细构造了这些基本模块以便复用,因此适合一组特定需求的HyperSpeed或HyperLength引擎几天内就可以由该公司配置。

这种服务使得用户的使用变得很简单。但Underhay指出,从头开始创造一个FFT模块可不是件轻松的事情。连同详细的理解该算法,RF Engines公司很艰难地最终对FPGA架构以及设计工具的特殊性有了一个全面了解。“这些工具近年来有了改进,”公司的首席执行官兼首席技术官John Lillington表示,“但仍然有必要学会克服它们的局限性。”Underhay举了最近的一个设计示例,该设计采用赛灵思公司的Virtex Pro器件实现。在这个器件上90%的逻辑单元得到了使用,整个设计达到190MHz的工作频率。

除了出色的设计技巧外,RF Engines公司在其架构中还采用快速重新配置。Lillington说,不管许多设计者怎么想,快速重新配置既不需要对整个FPGA重新编程,也不需要实际打断通过该器件的数据流。他预言这种方法的应用在未来会持续增加。

作者:张国勇