用于显著改进微控制器中fft性能的新颖方法
【专利说明】用于显著改进微控制器中FFT性能的新颖方法
【背景技术】
[0001] 离散傅里叶变换（DFT)在例如频谱分析、频域滤波以及多相变换的各种应用中的 数字信号处理中扮演重要角色。为了实施DFT，库利和图基（Cooley&Turkey)在二十世纪 六十年代提出了快速傅里叶变换（FFT)算法。所提出的FFT算法包括使用基-2蝶形运算。
【发明内容】
[0002] 本文中揭示了用于改进快速傅里叶变换（FFT)算法的效率的各种系统和方法。 在一些实施例中，一种方法包含通过控制单元从存储器组中接收N个输入项；基于合并的 基-2蝶形运算通过控制单元在N个输入项上执行FFT计算；将计算出的N个项存储到存储 器组中。控制单元经配置以使用合并的基-2蝶形来跨越两个连续级在四个输入项上处理 FFT运算。
[0003] 根据至少一些实施例，一种系统包含存储器组和控制单元。控制单元经配置以通 过在N个输入项上执行FFT计算而基于合并的基-2蝶形运算执行FFT计算，并且访问存储 器组（l/2Xlog 2N) X (10Xlog2N)次。
[0004] 根据另外的其他实施例，一种处理器包含存储器组和控制逻辑。耦合到存储器组 的控制逻辑经配置以使用合并的基-2蝶形运算在N个输入项上执行FFT计算。
【附图说明】
[0005] 为了详细描述本发明的示例性实施例，现将参考附图，其中：
[0006] 图1根据各种实施例示出用于快速傅里叶变换运算的基_2蝶形运算的信号流图。
[0007]图2根据各种实施例示出用于快速傅里叶变换运算的合并的基-2蝶形运算的信 号流图。
[0008] 图3根据各种实施例示出用于快速傅里叶变换运算的系统的方框图。
[0009] 图4根据各种实施例图解地说明用于16个输入项上的快速傅里叶变换运算的合 并的基_2蝶形运算的实例。
[0010] 图5根据各种实施例示出用于实施合并的基-2蝶形运算的方法的流程图。
[0011] 符号以及命名法
[0012] 特定的术语在整个以下说明书和权利要求书中被用来指代特定的系统组件。如 所属领域的技术人员将理解的，多家公司可以通过不同的名称来指代组件。此文档并不意 图区分开名称不同而功能相同的组件。在以下讨论中并且在权利要求书中，术语"包含"和 "包括"以一种开放式方式使用，并且因此应解释为意味着"包含，但不限于……"。此外，术 语"耦合"或"耦接"意图意味着间接或直接的电气连接。因此，如果第一装置耦合到第二 装置，那么该连接可能通过直接电气连接，或者通过经由其他装置和连接的间接电气连接。
【具体实施方式】
[0013] 以下论述针对本发明的各实施例。虽然这些实施例中的一者或多者可能是优选 的，但是不应将所揭示的实施例解释为限制本发明（包含权利要求书）的范围或者以其他 方式作为限制本发明（包含权利要求书）的范围来使用。此外，所属领域的技术人员将理 解以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的论述仅意味着该实施例示例性的论述，而 并非意图暗示将本发明（包含权利要求书）的范围限制于该实施例。
[0014] 离散傅里叶变换（DFT)在例如频谱分析、频域滤波以及多相变换的各种应用中的 数字信号处理中扮演重要角色。DFT通过以奈奎斯特频率（Nyquist frequency)或高于 奈奎斯特频率的频率对模拟信号进行采样而将模拟信号转换成一系列离散信号，这意味着 DFT通常涉及大量运算和存储器操作，并且因此其计算效率不高。为了解决计算问题，快速 傅里叶变换（FFT)以及快速傅里叶变换逆变换（IFFT)已被开发并且提供高效算法来利用 DFT。
[0015] 多年来，由于此类微控制器的低成本，在低端微控制器（MCU)中实施FFT或IFFT 变得非常可取。低成本微控制器通常不具有专用FFT加速硬件，这部分地导致了其低成本。 因此，需要基于软件的实施方案来运算FFT或IFFT。软件方法不需要专用FFT加速硬件。 为了实现高效的基于软件的算法，微控制器的指令集架构（ISA)被使用。通过使用ISA来 实施FFT或IFFT运算可能会由于长时延和高功耗而引起识别微控制器中的存储器参考的 效率问题。因此，通常为了确定用于操纵FFT或IFFT运算的ISA的效率，可以考虑两个因 素。一个因素是ISA访问存储器组需要花费多少循环。另一因素是通过使用ISA可以多高 效地识别特定输入项的存储器参考。
[0016] 本发明的实施例通过用于微控制器的ISA提高在装置（例如，微控制器）中实施 FFT的效率。本文所述的优选ISA包含多个指令，其用于减少访问存储器组的循环，并且使 微控制器更有效地识别存储器参考，由此在指出存储在存储器组中的项的地址时避免冗余 循环浪费。这两者都将如下详细地进行阐述。
[0017]DFT将模拟信号转换成一系列离散数字信号。DFT可以计算为：
[0018]
【主权项】
1. 一种方法，其包括： 通过控制单元从存储器组接收N个输入项； 基于合并的基-2蝶形运算通过所述控制单元在N个输入项上执行快速傅里叶变换即 FFT计算； 将计算出的N个项存储到所述存储器组中；并且 其中所述控制单元经配置W使用合并的基-2蝶形来跨越两个连续级在四个输入项上 处理FFT运算。
2. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述控制单元访问所述存储器组 (l/2Xlog2N) X (l〇Xlog2脚次W接收N个输入项和旋转因子，并且存储N个计算出的项。
3. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述控制单元执行第一指令，其中 所述第一指令包括： 将两个输入项从所述存储器组加载到所述控制单元的寄存器中；W及 使用存储在所述存储器组中的旋转因子在所述两个输入项上执行基-2蝶形运算，W 产生两个输出蝶形值。
4. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述控制单元执行第二指令，其中 所述第二指令包括： 使用存储在所述存储器组中的旋转因子在从所述控制单元的寄存器中读取的两个输 入项上执行基-2蝶形运算，W产生两个输出蝶形值。
5. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述控制逻辑跨越两个连续级执行 合并的基-2蝶形运算的单元，W产生四个输出蝶形值作为接下来两个连续级处的蝶形运 算的输入项。
6. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述控制单元执行运算回路，所述 运算回路在两个连续级处对合并的基-2蝶形运算的单元进行logsN次迭代。
7. -种系统，其包括： 存储器组；W及 控制单元，所述控制单元经配置W通过在N个输入项上执行FFT计算而基于 合并的基-2蝶形运算执行快速傅里叶变换即FFT计算，并且访问所述存储器组 (l/2Xlog2N) X (l〇Xlog2脚次。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述控制单元经配置W执行第一指令，所述第一 指令使所述控制单元： 将两个输入项从所述存储器组加载到所述控制单元的寄存器中；W及 使用存储在所述存储器组中的旋转因子在两个输入项上执行基-2蝶形运算，W产生 两个输出蝶形值。
9. 根据权利要求7所述的系统，其中所述控制单元经配置W执行第二指令，所述第二 指令使所述控制单元： 使用存储在所述存储器组中的旋转因子在从所述控制单元的寄存器中读取的两个输 入项上执行基-2蝶形运算，W产生两个输出蝶形值。
10. 根据权利要求7所述的系统，其中所述控制单元在两个连续级处执行合并的基-2 蝶形运算的单元，并且产生四个输出蝶形值作为在接下来两个连续级处的蝶形运算的输入 项。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中合并的基-2蝶形运算的一个单元包括四个 基-2蝶形运算。
12. 根据权利要求10所述的系统，其中所述控制单元执行运算回路，所述运算回路在 两个连续级处对合并的基-2蝶形运算的单元进行logsN次迭代。
13. -种处理器，其包括： 存储器组；W及 禪合到所述存储器组的控制逻辑，所述控制逻辑经配置W使用合并的基-2蝶形运算 在N个输入项上执行快速傅里叶变换即FFT计算； 其中所述控制单元访问所述存储器组W检索用于所述合并的基-2蝶形运算的输入 项；并且 其中所述控制单元从所述控制单元中的寄存器中检索用于所述合并的基-2蝶形运算 的输入项。
14. 根据权利要求13所述的处理器，其中所述控制单元通过访问所述存储器组 (1/2 X 1〇拓脚X (10 X log2脚次而基于合并的基-2蝶形运算在N个输入项上执行FFT计算。
15. 根据权利要求13所述的处理器，其中所述控制单元经配置W执行指令，其中所述 指令包括： 通过所述控制单元将两个输入项从所述存储器组加载到所述控制单元的寄存器中； 使用存储在所述存储器组中的旋转因子通过所述控制单元在两个输入项上执行基-2 蝶形运算，W产生两个输出蝶形值；W及 使用存储在所述存储器组中的旋转因子通过所述控制单元在从所述控制单元的寄存 器中读取的两个输入项上执行基-2蝶形运算，W产生两个输出蝶形值。
16. 根据权利要求13所述的处理器，其中所述控制单元跨越两个连续级在四个输入项 上执行合并的基-2蝶形运算的单元，并且产生四个输出蝶形值作为在接下来两个连续级 处的蝶形运算的输入项。
【专利摘要】一种系统包含存储器组和控制单元。控制单元经配置以通过在N个输入项上执行FFT计算而基于合并的基-2蝶形运算来执行FFT计算，并且访问存储器组(1/2×log2N)×(10×log2N)次。
【IPC分类】G06F17-14
【公开号】CN104572578
【申请号】CN201410541540
【发明人】P·查德赫里, A·特萨洛咯
【申请人】德克萨斯仪器股份有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年10月14日
【公告号】US20150113030