HC-FFT : highly configurable and efficient FPGA ımplementation of FFT

Abstract

Fast Fourier Transform (FFT) is an efficient implementation of DFT. It is a ubiqui-tously used building block in a wide array of signal processing systems. In general-purpose applications such as spectral monitoring and analysis and/or applicationswith unknown or varying channel characteristics, FFT needs to be "run-time config-urable". That is what makes the system real-time in such applications and is one ofthe most crucial features of such designs. When examining the literature on run-timeconfigurable real-time (FPGA-based) FFT implementations, we see that the degreeof configurability is less than what is best. In this thesis, a highly run-time config-urable FFT architecture (HC-FFT) that does not compromise area or throughput isproposed. The configurable parameters of this design are the number of FFT points(up to 64K), forward versus inverse mode, output order (natural or bit-reversed), andthe number of streams (1, 2, or 4). HC-FFT is designed using a parallel and pipelinedradix-2 Multipath Delay Commutator (MDC) FFT structure. HC-FFT was imple-mented on a Xilinx Kintex XCKU115 FPGA and was verified against Xilinx FFT IPversion 9.1, which is a widely used FFT IP core. Besides its high degree of run-timeconfigurability, HC-FFT is quite efficient and offers a very high throughput of 87Gbps with a reasonable amount of logic resources.

Hızlı Fourier D¨on¨u¸s¨um¨u (FFT), Ayrık Fourier D¨on¨u¸s¨um¨u’n¨un verimli bir ger¸cekleme sidir. FFT, ¸cok ¸ce¸sitli sinyal i¸sleme sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir yapı ta¸sıdır. Spektrum izleme ve analiz ve/veya bilinmeyen yahut de˘gi¸sen kanal ¨ozelliklerine sahip, genel ama¸clı uygulamalarda, FFT’nin “C¸ alı¸stı˘gı Sırada Yapılandırılabilir (C¸ SY)” olması gerekir. Bu t¨ur uygulamalarda, sistemi ger¸cek-zamanlı yapan da budur ve C¸ SY ¨ozelli˘gi bu t¨ur tasarımların en ¨onemli ¨ozelliklerinden biridir. Ger¸cek-zamanlı (FPGA-tabanlı) C¸ SY ¨ozellikli FFT ger¸ceklemeleri i¸cin literat¨ur¨u inceledi˘gimizde, ¸calı¸smalardaki yapılandırılabilirlik derecesinin istenilenden daha az oldu˘gu g¨or¨ulmek tedir. Bu tezde, az alan kullanımından ve y¨uksek veri akı¸s hızından ¨od¨un ver meyen, ileri derecede C¸ SY bir FFT mimarisi (HC-FFT) ¨onerilmektedir. Bu tasarımın yapılandırılabilir parametreleri ¸sunlardır: FFT nokta sayısı (64K’ya kadar), ya ileri ya ters d¨on¨u¸s¨um, ¸cıktı sırası (do˘gal veya ters-bit), akı¸s sayısı (1, 2 veya 4). HC-FFT, paralel ve boru-hatlı bir radix-2 C¸ ok-yollu Gecikme Kom¨utat¨or¨u (MDC) FFT yapısını kullanarak tasarlanmı¸stır. HC-FFT, Xilinx Kintex XCKU115 FPGA’i ¨uzerinde ger¸cek lenmi¸s ve yaygın olarak kullanılan bir FFT IP ¸cekirde˘gi olan Xilinx FFT IP versiyon 9.1 ile do˘grulanmı¸stır. HC-FFT, y¨uksek derecede C¸ SY olma ¨ozelli˘ginin yanı sıra, olduk¸ca verimlidir ve makul derede lojik kaynak ile 87 Gbps’lık ¸cok y¨uksek bir veri akı¸sı sunar.