Розробка апаратно-програмної моделі для обчислення спектру сигналу за допомогою швидкого перетворення Фур’є на базі ПЛІС
DOI:
https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.336992Ключові слова:
модель, швидке перетворення Фур'є, програмована логічна інтегральна схема, python, магнітуда, округлення, точність, телекомунікаціїАнотація
Об’єктом дослідження є методи реалізації адаптивної апаратно-програмної моделі для спектрального аналізу сигналів за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ), реалізована на ПЛІС з подальшою обробкою в програмній частині. Таке рішення поєднує в собі переваги апаратного прискорення та програмної гнучкості. Запропонована модель спрямована на вирішення проблеми створення ефективного інструменту для обробки сигналів у реальному часі з урахуванням обмежень точності, затримки, використання ресурсів та збереження даних для подальшої обробки та аналізу. Модель розроблена з можливістю масштабування як для збільшення кількості каналів обробки, так і для розширення довжини ШПФ та підвищення рівня точності. Процес її створення включав послідовні етапи моделювання, синтезу, налагодження та тестування в реальних умовах. Було проведено ретельне проєктування структури моделі, вдосконалено формати представлення даних і процедури округлення, а також адаптовано алгоритм ШПФ до специфіки обраної платформи, що в сукупності забезпечило високу точність спектрального аналізу та ефективне використання ресурсів ПЛІС, про що свідчать експериментальні дані. Проведено практичні випробування роботи системи в реальному часі, під час яких оцінювалися такі параметри, як точність отриманих результатів та рівень енергоспоживання, зважаючи на ефективність використання логічних елементів, блоків пам’яті. Отримані результати є логічним відображенням переваг апаратно-програмної реалізації, впровадження оптимізованих форматів даних і процедур округлення, а також вдалої адаптації алгоритму ШПФ. Це дозволило досягти балансу між високою точністю спектрального аналізу на рівні 3,9 кГц при довжині ШПФ 16384, зменшенням обсягу необхідної пам’яті вдвічі та скороченням часу передачі результатів ШПФ на 0,25 мс. Практичне застосування розробленої моделі охоплює широкий спектр сфер, зокрема вбудовані системи обробки сигналів, сучасні прилади для вимірювань у реальному часі, а також мобільні чи енергоефективні системи, де вирішальними факторами є робота в реальному часі при низькому енергоспоживанні. Завдяки своїй універсальності модель може бути інтегрована в складніші системи цифрової обробки сигналів, розширюючи їх функціональність.
Посилання
- Kaya, Z., Garrido, M., Takala, J. (2023). Memory-Based FFT Architecture With Optimized Number of Multiplexers and Memory Usage. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 70 (8), 3084–3088. https://doi.org/10.1109/tcsii.2023.3245823
- Kaya, Z., Garrido, M. (2023). Low-Latency 64-Parallel 4096-Point Memory-Based FFT for 6G. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 70 (10), 4004–4014. https://doi.org/10.1109/tcsi.2023.3298227
- Yang, C., Wu, J., Xiang, S., Liang, L., Geng, L. (2023). A High-Throughput and Flexible Architecture Based on a Reconfigurable Mixed-Radix FFT With Twiddle Factor Compression and Conflict-Free Access. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 31 (10), 1472–1485. https://doi.org/10.1109/tvlsi.2023.3298943
- García-Astudillo, L. A., Lindoso, A., Entrena, L., Martín, H., García-Valderas, M. (2021). Error sensitivity study of FFT architectures implemented in FPGA. Microelectronics Reliability, 126, 114298. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2021.114298
- Xie, Y., Chen, H., Zhuang, Y., Xie, Y. (2023). Fault Classification and Diagnosis Approach Using FFT-CNN for FPGA-Based CORDIC Processor. Electronics, 13 (1), 72. https://doi.org/10.3390/electronics13010072
- Changela, A., Zaveri, M., Verma, D. (2020). FPGA implementation of high-performance, resource-efficient Radix-16 CORDIC rotator based FFT algorithm. Integration, 73, 89–100. https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2020.03.008
- Dang, T.-H., Tran, V.-N., Nguyen, L.-C. (2023). A parallel rotator for FFT/IFFT applied in multi-carrier wireless communication systems. Digital Signal Processing, 141, 104190. https://doi.org/10.1016/j.dsp.2023.104190
- He, J., Bao, Z., Li, H., Li, Q., Li, Z., Liu, P. et al. (2023). Implementation of an Adaptive Trapezoidal Shaping Method Based on FFT. IEEE Transactions on Nuclear Science, 70 (9), 2234–2239. https://doi.org/10.1109/tns.2023.3307475
- Song, J., Li, Y., Qiu, J., Hong, X., Guo, H., Yang, Z. et al. (2023). Low-Complexity FPGA Implementation of 106.24Gbps DP-QPSK Coherent Optical Receiver With Fractional Oversampling Rate Based on One FIR Filter for Resampling, Retiming and Equalizing. Journal of Lightwave Technology, 41 (16), 5244–5251. https://doi.org/10.1109/jlt.2023.3258072
- Yao, Y., Zhang, J., Liu, Y., Ruan, T., Li, W., Lian, H. et al. (2023). Development of a multifunctional real-time data processing system for interferometers on EAST. Journal of Instrumentation, 18 (11), C11013. https://doi.org/10.1088/1748-0221/18/11/c11013
- Li, C. J., Li, X., Lou, B., Jin, C. T., Boland, D., Leong, P. H. W. (2023). Fixed-point FPGA Implementation of the FFT Accumulation Method for Real-time Cyclostationary Analysis. ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems, 16 (3), 1–28. https://doi.org/10.1145/3567429
- Reduced Gigabit Media Independent Interface (RGMII) (2020). Texas Instruments Incorporated. Available at: https://e2e.ti.com/cfs-file/__key/communityserver-discussions-components-files/138/6661.RGMIIv1_5F00_3.pdf
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Oleksandr Vasyliev, Oleh Filippenko, Inna Filippenko, Oleksandr Shkil
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
