卫星定位基带信号捕获FFT模块的ASIC实现

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快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的一种优化算法。FFT降低了 DFT的计算复杂度,当计算的点数逐渐增大时,这一优化效果体现地越明显。通用FFT模块一般都是基于FPGA内部的IP核。这种类型的FFT模块对于可计算的数据点数以及数据位宽都有固定的范围,而且它的输入端口以及输出端口都是固定的。这通常会带来内部配置资源浪费以及端口冗余等问题。IP核对于使用者来讲相当于一个黑盒,这限制了 FFT算法的定制化使用。当前面向的是卫星定位基带信号捕获的低功耗模块,因此需要尽可能减少其中FFT模块的冗余端口。同时,需要尽可能减少FFT模块占用的硬件资源,进一步实现低功耗的目的。基于以上两点,本文开展了卫星定位基带信号捕获FFT模块的ASIC实现的研究。本论文进行的设计,主要分为四部分:1)FFT算法的Verilog HDL代码设计;2)基于UMC55nm工艺的标准单元库设计;3)基于UMC55nm工艺的SRAM设计;4)FFT运算模块的物理实现以及2048点FFT的完整版图实现。首先根据卫星定位基带信号捕获模块的数据处理要求,为其定制相应点数的FFT处理模块。根据卫星定位的精度要求,合理设置输入数据宽度。根据前端代码要求定义FFT模块的输入端口与输出端口,最大化精简端口设置,以避免资源浪费。接着基于UMC55nm工艺,设计标准单元库。标准单元库中包含了基本的组合逻辑单元,如AND、NOR;时序逻辑单元,如DFF;驱动单元,如INV、BUFFER;物理填充单元,如FILLER。SRAM在本设计中主要用来存储中间计算数据以及最后的计算结果,它主要由存储单元与外围电路构成。存储单元采用的是“6管”结构,外围电路主要包括行译码器、列译码器、数据写入电路以及数据读出电路等。最后通过数字后端设计,把FFT运算模块映射到标准单元库,生成版图级的电路文件。之后在Virtuoso中实现FFT模块与SRAM的互连,形成一个完整的设计。将本文所设计的FFT运算模块与前端卫星定位代码进行联合调试,可获得正确的卫星解算数据。同时,本文设计的FFT模块明显降低了逻辑资源的占用。在后端的物理实现过程中,通过DRC与LVS保证了版图文件的可靠性以及与晶体管级电路图的一致性。这一设计实现了定制化FFT模块,减少了硬件资源占用,降低了功耗,具有一定的应用价值。
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