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30000字硕士毕业论文基于CORDIC算法的快速傅立叶变换旋转因子描述与完成

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:算法,成像,处理器
论文概述:

快速傅立叶变换(FastFourierTransform,FFT)是数字信号处理的核心技术之一,广泛应用在频谱分析、匹配滤波、数字通信、语音识别、图像处理、雷达处理、遥感遥测、地质勘探和无线保密通讯等众多

论文正文:

  第一章绪论         快速傅立叶变换(FastFourierTransform,FFT)是数字信号处理的核心技术之一,广泛应用在频谱分析、匹配滤波、数字通信、语音识别、图像处理、雷达处理、遥感遥测、地质勘探和无线保密通讯等众多领域。例如,在电子对抗中,利用FFT算法可以实时地进行谱估计,从而检测噪声调频干扰信号;在雷达信号处理中,FFT算法可以用来完成频率检测、引导以及各种相关处理【‘]。不同的应用场合对FFT处理器具有不同的性能要求,本文设计的FFT处理器用于星载合成孔径雷达((SAR)星上数据实时自主处理系统。在现代雷达信号处理技术中,FFT面临的数据率从几kHz到数百MHz,数据处理的实时性高、速度快[,因而也对FFT提出了较高的性能需求。第一节课题背景及研究意义雷达(Radar)是集中了现代电子科学技术中各种成就的高科技系统,能够感知人眼无法感知的对象,被称为“千里眼,,。其基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标,并测定目标的空间位置,在测距、测速、成像和识别目标属J胜等任务中都发挥着重要的作用。在军事上,各种先进的武器装备都离不开雷达所提供的信息支持;在民用上,雷达涉及天文、地理、气象、测绘、交通等各个领域,因此成为各国竞相发展的重要装备。         雷达已经成功地应用于地面(含车载)、舰载、机载方面,近年来,雷达应用正在向外层空间发展,出现了空间基(卫星载,航天飞机载,宇宙飞船载)雷达[0雷达成像技术是20世纪50年发表展起来的,是雷达发展的一个重要里程碑。从此,雷达的功能不仅仅是将所观测的对象视为‘点”目标来测定它的位置与运动参数,而且能获得目标和场景的图像。雷达成像技术应用最多的是合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR),它利用合成孔径原理和脉冲压缩技术,突破了天线孔径对方位向分辨率的限制,对微波脉冲的反射回波进行距离向和方向向的二维处理,从而产生清晰的具有地表特征的雷达图像,其场景图像的质量可与同类用途的光学图像相媲美,其成像原理如图1.1所示。         这种成像方式具有全天候数据获取能力,对一些地物具有穿透性,具有光学摄影无法比拟的优越性。当前,机载和星载sAR在军事和民用领域都取得了广泛的应用,如地形测绘、资源考察、自然灾害预测、图像匹配、制导等方面[0图1.1sAR成像原理图sAR的高分辨率来源于对回波数据进行距离一方位二维脉冲压缩。采用二维分离处理的算法结构可以大大节省计算量,减少算法的复杂程度,其算法流程如图1.2所示[4]0距离向参考函数回波数据}州距离向信号FF丁变换IFF下卜州矩阵转换图像输出显示曰幅度检测日IFF下方向向信号FF丁变换方向向参考函数图1.2SAR成像数据处理算法流程图可见,FFT处理器在SAR成像系统中起到了极其重要的作用,其性能也直接影响着雷达成像的质量[aSAR成像处理的特点是数据量大、运算量大、计算时间要求严格,并且随着分辨率的提高,数据量和计算量呈几何级数增长。对于分辨率为1米左右的系统,处理速度就要求达到每秒百亿次以上。这样高的运算速度,需要使用大型计算机系统才能满足要求,但是这些系统的体积和重量使它们无法在机载或星载的遥测系统中使用。解决这个问题的最好办法就是 参考文献[1]吴初辉,宫新保.基于CORDIC算法的FFT在FPGA中的实现.导弹试验技术,2007 (4)31 ^} 36[2]吴伟,唐斌,杜东平等.现代雷达中的高速FFT设计.空军工程大学学报(自然科学版),2005, Vol. 6 (5):53一58[3]张明友,汪学刚编著.雷达系统.第2版.北京:电子工业出版社,2006. 1 ^-3[4]保铮,邢孟道,王彤编著.雷达成像技术.北京:电子工业出版社,2005. 2^-7[5]郭华东,徐冠华主编.星载雷达应用研究.北京:中国科学技术出版社,1996. 2 ^-15[6] Natroshvili K,  Loffeld O, Nies H,  et al.Focusing of General Bistatic SAR ConfigurationData With 2-D Inverse Scaled FFT. IEEE Transactions on Geo-sci2006, Vol. 44 (10):2718-2727谢应科.高分辨率实时成像系统存储结构研究:仁博士学位论文〕.北京:中国科学院,2000汪润来.1024点复数专用FFT处理器的ASIC实现:〔硕士学位论文〕.合肥:电子科技大学,2007丁玉美,高西全编著.数字信号处理.第2版.西安:西安电子科技大学出版社,2000.68一70, 97108 Wen C Y, Chein W J. High-Speed and Low-Power Split-Radix FFT. IEEE  Transactionson Signal Processing,  2003, Vol. 51(3):864一874 Cheng C, Parhi K K. High-Throughput VLSI Architecture for FFT Computation. IEEETransactions on Circuits and Systems,  2007, Vol. 54 (10):863一867混合基   Sansaloni T,  Pascual A P,  Tomes V,  et al.  FFT Spectrum Analyzer Project for TeachingDigital Signal Processing With FPGA Devices.  IEEE Transactions on Education,  2007,Vol. 50 (3):229一235 Kee H J,Petersen N, Kornerup J, Bhattacharyya S S.  Systematic Generation of FPGA- Based FFT Implementations.  International Conference on Acoustics, Speech and  Chong K S, Gwee B H, Chang J S. Energy-Efficient Synchronous-Logic and Asynchronous- Logic FFT/IFFT Processors. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007, Vol. 24 (9):2034^2045 Maharatna K,  Grass E,  Jagdhold U.  A 64-Point Fourier Transform Chip for High-Speed Wireless LAN Application Using OFDM.  IEEE Journal of Solid-State Circuit,  2004, Vol. 39 (3):484一493李成诗,初建朋,李新兵.基于CORDIC的一种高速实时定点FFT的FPGA实现.微电子学与计算机,2004, Vol. 21(4) :88^96  摘要 4-5 Abstract 5 目录 6-10 第一章 绪论 10-16     第一节 课题背景及研究意义 10-12     第二节 FFT算法的研究现状 12-13     第三节 FFT处理器的实现方法 13-14     第四节 本文研究内容与组织结构 14-16         1.4.1 本文研究内容 14-15         1.4.2 各章主要内容及组织结构 15-16 第二章 FFT基本原理 16-34     第一节 离散傅里叶变换基本原理 16-17     第二节 快速傅里叶变换基本原理 17-20     第三节 快速傅里叶算法分析 20-33         2.3.1 基2 DIT算法基本原理 20-26         2.3.2 基2 DIF算法基本原理 26-28         2.3.3 基4算法基本原理 28-30         2.3.4 基8算法基本原理 30-31         2.3.5 几种蝶形算法的比较 31-33     第四节 本章小结 33-34 第三章 基于CORDIC算法的高速FFT设计方法 34-52     第一节 CORDIC算法概述 35-38         3.1.1 CORDIC算法的提出 35         3.1.2 CORDIC算法基本原理 35-37         3.1.3 CORDIC算法的应用现状 37-38     第二节 CORDIC算法在FFT处理器中的应用 38-45         3.2.1 CORDIC算法在FFT中的应用原理 38-42         3.2.2 预旋转 42-43         3.2.3 CORDIC算法的误差分析 43-45     第三节 FFT数据格式的选取 45-48     第四节 FFT处理器硬件实现结构 48-51         3.4.1 复用结构FFT处理器 48-49         3.4.2 流水结构FFT处理器 49-50         3.4.3 并行结构FFT处理器 50         3.4.4 FFT处理器结构比较 50-51     第五节 本章小结 51-52 第四章 FFT处理器前端电路设计 52-87     第一节 FFT处理器的总体设计 52-56         4.1.1 总体设计规范 52-53         4.1.2 算法级设计 53         4.1.3 FFT处理器的整体结构 53-56     第二节 RTL级设计 56-86         4.2.1 倒序处理 56-58         4.2.2 SRAM设计思想 58-60         4.2.3 SRAM读写地址的产生与控制 60-69             4.2.3.1 并行读写的地址冲突 60-61             4.2.3.2 16点并行无冲突二维地址产生方法 61-67             4.2.3.3 SRAM读写控制单元 67-69         4.2.4 地址产生单元 69-71         4.2.5 基4蝶形单元 71-73         4.2.6 CORDIC乘法器 73-80             4.2.6.1 CORDIC乘法器的结构 73-74             4.2.6.2 CORDIC乘法器迭代级数n的确定 74-75             4.2.6.3 旋转因子产生方法 75-77             4.2.6.4 CORDIC乘法器的精度分析 77-80