【摘 要】
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随着超第五代通信技术（Beyond 5th-Generation,B5G）和第六代通信技术（6th-Generation,6G）的到来,无线通信系统将致力于提供超高吞吐量和超低延迟服务。快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）作为5G中最重要的算法之一,被广泛应用于通信系统中,特别是多输入多输出正交频分复用（Multiple Input Multiple Ooutpu
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随着超第五代通信技术（Beyond 5th-Generation,B5G）和第六代通信技术（6th-Generation,6G）的到来,无线通信系统将致力于提供超高吞吐量和超低延迟服务。快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）作为5G中最重要的算法之一,被广泛应用于通信系统中,特别是多输入多输出正交频分复用（Multiple Input Multiple Ooutput Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM）系统。随着带宽、传输流和天线数量的增加,对FFT运算的计算量和时延的挑战也越来越大,传统的FFT架构难以满足高速、高性能和低开销的要求。为了解决传统FFT计算能效、硬件效率低等问题,本文分析了MIMO-OFDM系统的量化误差,并将其作为FFT设计的一个额外维度,使时延和通信性能之间能够动态调整,即性能与资源灵活互换,采用架构大并行,计算动态串行的方式,提出了一种大并行混合架构的位串行（Hyper-Parallel Bit-Serial,HPBS）FFT处理器,支持64到2048点变点数FFT运算。该处理器采用位串基本计算单元,使大并行FFT能够在可接受的硬件成本下提供高吞吐率。同时,混合架构可以避免中间级的数据管理电路和存储资源。此外,HPBS设计支持时延和计算精度之间的灵活调整。本文所提出的2048点FFT,在基于55-nm工艺、502MHz和平均12bit的情况下,可提供2.67 Gsps的吞吐量,归一化硬件效率达到0.0067Gsps k GE,至少是传统设计的2倍。本文提出的HPBS设计有如下创新点:1)提出了一种基于基数分解的并串混合架构FFT。前级采用高并行、大基数设计,后级采用单路径延迟反馈（Single-path Delay Feedback,SDF）结构,可避免中间级的数据管理电路和存储资源。同时支持变点数FFT计算,满足5G新空口（New Radio,NR）协议下不同点数FFT的需求。2)提出了HPBS架构位串FFT处理器,采用位串基本计算单元,使前级大并行FFT在可接受的硬件成本下提供高吞吐率;同时,位串计算方式支持在不改变硬件设计的情况下,计算精度动态变化,以适应不同信噪比的信号,避免了硬件资源的浪费。3)提出的基-3、基-11高效SDF结构,利用了折叠思想和寄存器最小化技术,以较低的硬件开销实现基-3、基-11的FFT计算,解决了传统2k点FFT处理特殊FFT点数的问题,从而更好的保证了混合基FFT的实现。
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