CN1320478C - 离散变换运算设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对离散变换进行运算的设备(FFTP)。此设备包含用于记录子变换运算结果的局部存储器(RAM2)，每个子变换运算包含多个运算层。此设备的特征在于，它使用了能够实现两个和多个具有相同大小的相邻子变换间交织的运算设备(CAL_M)。

Description

离散变换运算设备
技术领域
本发明涉及对包含子变换的离散变换进行运算的设备，该设备包含用来记录子变换运算结果的局部存储器，子变换运算包含多个运算层。此发明同时涉及适合该设备的运算方法。
背景技术
此发明特别用于地面信号传输过程的信道解码。
IEICE信息和***学报于1993年，ISSN 0916-8532卷E76-D，第6，第680-688出版的文章“A Minimum-Latency Linear Array FETProcessor”描述了采用双线性阵列结构的快速傅立叶变换处理器。处理器实现一个并行处理而无需线性阵列之间的通信。为了继续推进算术单元的100％利用，必须执行立即输出产生的一个调度，其中输入数据一出现就立即开始每个butterfly单元的执行。连续地并且以一个正确节律执行FFT计算。
1998年由IEEE国际固体电路出版的期刊号为0-7803-4344-1名为“多媒体广播节能型单片OFDM解调器以及信道解码器”的文献，对离散变换运算设备进行了描述，这里的变换指OFDM(“正交频分复用”)接收机中的傅立叶变换。每个傅立叶变换可为OFDM接收机提供1024到8192个数据或样本的变量空间。当此，接收机接收到信号时，此信号接收到的是以样本分组形式存放于全局存储器里的信号，根据不同的使用标准这些分组具有一定的变量空间。ETSI(“欧洲电信标准学会”)所出版发行的DVB-T标准(“地面数字录像广播”)使用的是OFDM接收机，其分组长度大小为2千字节或8千字节。此接收机包含对接收到的分组样本上的傅立叶变换进行运算的一整套运算设备。
每个变换运算分立为多个子变换运算。子变换运算的中间及最终结果会在局部存储器中得以记录。从而此局部存储器较之全局存储器其频率要高。子变换运算自身分立为多个被称之为蝶形的基本运算层，其中每个蝶形运算需要两个输入数据，同时提供两个计算出的输出数据。基本模块可实现对蝶形的运算且包含加法器和乘法器。
一种广为人知的变换运算技术是通过诸如管道处理器这样的设备的使用来完成离散变换运算。为了开始并行结构中乘法运算和加法运算的运行，通过在每个时钟周期中进行蝶形运算，此处理器执行子变换中每层的蝶形运算，接着完成下一层的运算等等。蝶形运算的开始运行需要一定的等待时间，此等待时间为蝶形运算中输入数据和算出的输出数据二者之间的多个时钟周期。
此技术有个问题是在包含处理器中断过程的子变换运算内部数据之间形成了相关性。
附图1给出此种相关性。附图1给出对16数据离散傅立叶变换进行内部连接的网络图。每个这样的变换由两个8数据子变换组成。每个8数据子变换包含三层蝶形运算LAY1、LAY2和LAY3。为了实现8数据傅立叶子变换须连续进行12个蝶形运算，即每层LAY4个蝶形运算。用来启动子变换运算的蝶形在附图中由黑颜色的图框表示。所使用的蝶形按照优化顺序进行运算，此顺序由上述图框中的数字表示。
让我们以贴有标签4的蝶形为例，它是8数据子变换中第二层LAY2中最先得以运算的蝶形。此种标签为4的蝶形需要两个来自第一层LAY1的两个算出的蝶形0和1的输入数据。如附图2所示，处理器在每个周期CY执行蝶形运算。在开始贴有标签4的蝶形运算之前必须等待4个周期的时间。然而，不同的是如果等待时间高于两个周期，那么每层LAY中只有4个蝶形运算，而蝶形4运算所需来自蝶形0和1的蝶形的数据将延时到达。从附图2中可以看到，如果等待时间等于3，那么此类数据就将存在延时周期到达。接下来为了完成对贴有标签4的蝶形的运算，处理器在执行上述蝶形运算之前必须等待一个周期的时间。在此例子中，处理器通常在完成第二层LAY2的整个蝶形运算之前必须等待L-2个周期的时间。从而在运算过程中处理器被中断。
发明内容
从而，本发明所要解决的技术问题之一就是设计出对包含子变换的离散变换进行运算的设备，此设备含有对子变换运算结果进行记录的局部存储器。其中，每个子变换运算包含多个运算层。同时还要设计出相配套的算法，利用此算法可避免子变换运算过程中的设备等待的问题。
根据本发明的第一个目的，针对技术问题的解决方法其特征在于此运算设备包含能够实现的第一个子变换和第二个子变换运算层间相互交织的运算方法。
根据本发明的第二个目的，其解决方法的特征在于此算法包含实现第一个子变换和第二个子变换运算层间相互交织的步骤。
如将在下文中详细描述的，这种相互交织允许更多的两相邻层间的运算时间。因此，子变换中的基本模块所使用的数据从一个基本模块传输到另一个模块的时间增多，同时不需要终端处理器。
根据本发明的一个方面，用于运算包含子变换的离散变换的设备，所述运算设备包含对子变换运算结果进行记录的局部存储器(RAM2)，子变换运算包含多个运算层，其特征在于，它包含能够以交替方式将第一个子变换和第二个子变换的运算层交织起来的运算设备(CAL_M)，所述运算设备(CAL_M)包括多个基本模块，每个基本模块允许一层子变换的运算。
根据本发明的一种对包含子变换的离散变换进行运算的方法，所述方法适于在局部存储器(RAM2)中记录子变换运算结果，其特征在于，它包含以交替方式实现第一个子变换和第二个子变换运算层间交织的步骤，每个子变换包括多个层，每层包括以序列顺序执行的多个基本运算，第一子变换的第一层的运算之后跟随着第二子变换的第一层的运算，第一子变换的第二层的运算之后跟随着第二子变换的第二层的运算，如此继续，直到不再有任何子变换需要被运算。
附图说明
通过给出非限定例子同时参照下面将要给出的实施例，本发明的这些以及其它方面将得以清楚地阐述。
附图中：
附图1以框图形式给出利用根据现有技术的设备进行离散变换运算的互连网络，
附图2所示为利用附图1中的现有运算设备进行基本运算一整套周期的框图，
附图3所示为根据本发明的运算设备的框图，
附图4a为使用附图3中的设备进行的离散变换运算，
附图4b所示为使用附图3所示设备进行附图4b中的离散变换运算的细节内容，
附图5所示为使用附图3所示运算设备进行离散变换运算的互连网络的框图，
附图6所示为使用附图3所示运算设备进行基本运算的一整套周期的框图。
具体实施方式
本发明公开文本涉及使用于地面电视领域的接收机中进行离散变换运算设备的一个实例。
在通过信道(未给出)进行信号发送的发送***中需要使用发射机和接收机，尤其是在地面电视领域。此发射机调制信号将数字信号转换成模拟信号，同时在信道中实现此信号的传送。在信道的输出端，用于解调信号将模拟信号转换为数字信号的接收机完成信号接收。
在DVB-T(“地面数字录像广播”)标准中使用了不同的技术，如欧洲在解调过程中使用的OFDM技术(“正交频分复用”)。此技术尤其使用了离散傅立叶变换的快速运算。
在数字信号接收过程中，接收机以样本分组Xi(i≥0)的形式接收信号。这些样本通过包含解调器的DVB-T标准OFDM接收机以大小为2千字节到8千字节容量分组接收。
利用包含在接收机中实现离散变换运算的FFTP设备使得解调过程得以进行，其离散变换包含子变换。上述的运算设备FFTP由附图3给出且通常为一处理器。它包括局部存储器RAM2，控制设备CNTRL和运算设备CAL_M。实现变换运算的FFTP设备同时能够进入到外部全局存储器RAM1。
全局存储器RAM1可实现对接收到的信号中样本Xi的存储，而局部存储器RAM2可完成对子变换运算结果的记录，其中的子变换运算包含多个运算层LAY。上述存储器最好为易失、可重写存储器。
运算离散变换需要执行下面所给步骤。以容量大小为128个数据或样本的离散转换运算为例。附图4a和4b中所给出的例子所示，此种变换可分立为8个16象素子变换运算，后面跟着的是16个8数据子变换运算。每个8数据子变换包含3层，每层包含4个待执行的基本运算，基本运算通常被称作蝶形。蝶形运算需要两个输入数据，同时提供两个计算出的输出数据。运算设备CAL-M所包含的基本模块(未给出)可对蝶形进行运算。此类模块包含加法和乘法运算及多个寄存器。伴随蝶形运算有一等待时间L，它是蝶形运算过程中输入数据和算出的输出数据二者之间观测到的一定数量的时钟周期。
第一步中，控制设备CNTRL对全局存储器RAM1和局部存储器RAM2进行配置，从而分别接收分组样本Xi和变换运算结果。配置被视为解调过程中使用的傅立叶变换数量值的一个函数，此变换的大小是可变的，视情况而定，但在这里为2千字节或8千字节。本领域的技术人员对于配置步骤已经很熟悉了，所以无须进行更详细的描述。
第二步中，运算设备CAL-M以交替方式通过第一个子变换和第二个子变换运算层的交织实现子变换运算。此种相互交织最好在容量大小相同的两个相邻子变换间进行。例如，对于8数据子变换，处理器从而以附图4b中所指顺序开始对8数据子变换进行运算，即以两个第一子变换为起点，然后为两个相邻子变换等等。从而，如含有两个第一次8数据标签为SEFT0和SEFT0’的子变换间的交织。所述的SEFT0和SEFT0’子变换均包含3层，分别为a、c、e和b、d、f。如附图5中所示，所述层a、c、e和b、d、f每个包含4个基本待执行的运算。a层从而包含有标记为a0，a1，a2，a3的蝶形；c层包含有标记为c4，c5，c6，c7的蝶形；e层包含标记为e8，e9，e10，e11的蝶形。类似地，b层包含有标记为b0，b1，b2，b3的蝶形；d层包含有标记为d4，d5，d6，d7的蝶形；f层包含有标记为f8，f9，f10，f11的蝶形。与前面按蝶形先后顺序进行的蝶形运算进行比较，本发明所设计的设备以下面的方式完成蝶形运算：
-第一个子变换SEFT0的第一层a的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先a0，然后是a1，a2，a3；
-第二个子变换SEFT0’的第一层b的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先b0，然后是b1，b2，b3；
-第一个子变换SEFT0的第二层c的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先c4，然后是c5，c6，c7；
-第二个子变换SEFT0’的第二层d的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先d4，然后是d5，d6，d7；
-第一个子变换SEFT0的第三层e的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先e8，然后是e9，e10，e11；
-第二个子变换SEFT0’的第三层e的运算，所述层的蝶形运算按照附图5中所指顺序执行，即首先f8，然后是f9，f10，f11；如此进行直到运算完所有的8数据子变换，即直到子变换SEFT7和SEFT7’。
可注意到执行此类蝶形运算使用到了称之为Cooley-Tukey算法的算法，此算法也被称为基数为2的算法或双基算法，其中基数值变化范围从2到4。使用基数2的变换算法需要数量级为2的大量样本。例如，运算2千字节变换，需要进行256次16数据子变换运算(即每个子变换进行32次数量级为2的基本运算)和256次8数据子变换运算(即每个子变换进行12次数量级为2的基本运算)。由于蝶形算法特别是Cooley-Tukey算法已为本领域技术人员所熟知，这里就不累述了。
参照附图6中框图所示的方案5，第一个8数据子变换SEFT0的第二层c中第一个进行运算且等待时间为3的标记为c4的蝶形充作例证。蝶形c4需要蝶形a0和a1数据。可以看出，第一个子变换SEFT0，即a0、a1、a2、a3第一层首先进行运算。第二步，第二个子变换SEFT0’第一层b，即b0、b1、b2、b3进行运算。最后，在第八周期对蝶形c4进行运算。从第一层a的蝶形a0和a1运算所得结果数据，在此种情况下包含发送到蝶形c4所用时间。
上面所描述的两个子变换间运算的先后顺序，是被称为“完美混洗”(“perfect shuffle”)的子变换优化运算次序。子变换的排列或优化次序与蝶形块和层的递增顺序是相对应的。附图5的阴影部分中，第一个子变换SEFT0的优化次序相应于第一层a的第一个方框a0，第二个方框a1，第三个方框a2以及第四个方框a3，接下来是第二层c的第一个方框c4，第二个方框c5，第三个方框c6以及第四个方框c7的运算，最后为第三层e的第一个方框e8，第二个方框e9，第三个方框e10以及第四个方框e11的运算。附图5的没有阴影部分中，第二个子变换SEFT0’的优化次序相应于第一层b的第一个方框b0，第二个方框b1，第三个方框b2以及第四个方框b3的运算，然后是第二层d的第一个方框d4，第二个方框d5，第三个方框d6以及第四个方框d7的运算，最后为第三层f的第一个方框f8，第二个方框f9，第三个方框f10以及第四个方框f11的运算。
对于特定的子变换，i+1层中的蝶形j依赖于此变换中i层中的蝶形j/2以及(j/2+Ns/4)，这里的Ns为预算子变换的容量大小。例如，第一个子变换SEFT0第二层中的第二个蝶形C6就依赖于此子变换第一层的蝶形2/2＝1和2/2+8/4＝3，为蝶形a0和a2。然后i层方框的运算和依赖于下一层i+1层方框的运算二者之间的时间相应于一定数量的周期Tdep(每个周期运算一个方框)。Tdep＝Ns/2-(j/2+Ns/4)＝j＝Ns/4+j-(j/2)，其中Ns/2为每层待运算蝶形的数量值。最坏的情况是当j＝0时，最短时间Tdepmin等于Ns/4。由于Tdep须大于L，这就等价于Ns＞4*L。
对于利用优化数量级为2的排列方法来对子变换进行的运算，较有利的情况为子变换的容量大小不大于4倍的子变换数量级为2的蝶形运算的等待时间L。如前面所述，运算设备CAL_M开始子变换上的交织。换句话说，当子变换的大小高于4倍的等待时间L时，运算设备CAL_M不进行交织。
在前面所提到的例子中，当存在等待时间L为3时，将无须启动16数据子变换上的交织。的确，对于16数据子变换层来讲需要运算8个蝶形。因此，等待时间为3时不同运算所需数据包含为蝶形进行传送的时间。此子变换的有效容量大小是大于4倍等待时间L。从而在这种情况下，无须进行交织以至于延长传送16数据子变换的时间。在8数据子变换运算之前或者之后，处理器对8个16数据子变换进行运算，而没有按照附图4a中所指的次序进行交织。
要注意的是当等待时间L等于1时，即几乎在运算开始的同时可获取一结果。然而运算设备CAL_M从未进行过交织，因为在此种情况下，一旦下一层的蝶形运算开始，那么每一层的所有数据都是可得到的。
此类交织从而具有可将时间留给蝶形运算所需数据，并且实现蝶形间的传送的优点，这种传输无需处理器FFTP在一个或多个周期中等待此类数据的传送。
最后，本发明的另一个优点在于使用了局部存储器RAM2，从而较少的使用全局存储器RAM1。的确，每次子变换运算使用的都是局部存储器RAM2。实现变换运算的设备FFTP实质上只在转移子变换结果时才进入到全局存储器RAM1。从而，不仅减少了能量消耗，而且降低了为变换运算中FFTP以外的设备进入到全局存储器释放空间的可能性，而能量消耗降低的原因在于进入局部存储器较之进入全局存储器其能量消耗要低。
需要注意的是本发明并不仅仅局限于本文所描述内容，例如它的范围可扩展到使用其它算法的实施例。
本发明也可以应用于其它不基于OFDM技术的解调器。例如，可以应用到在美国使用的在一频率范围内的VSB技术上(“残留边带调制”)。当使用于一定的频率范围之内时，此VSB技术也要用到傅立叶变换。在接收信号的过程中，接收机以大小为1千字节或2千字节的样本分组形式接收数字信号。
还要注意的是本发明不仅仅局限于傅立叶变换，它也可扩展到其它离散变换，比如用于视频处理过程中的离散余弦变换DCT。
本发明不仅仅局限于地面电视领域，它可以显著地应用于所有使用带有离散变换的领域。
本文中任何一个参考符号都不应解释为限制了权利要求。动词“包含”及其变化形式的使用并不排除权利要求中所未提到元件或步骤。元件或步骤前面冠词”a”和“an”的使用并不排除此存在多个此类元件或步骤。

Claims (10)

1.用于运算包含子变换的离散变换的运算设备(FFTP)，所述运算设备包含对子变换运算结果进行记录的局部存储器(RAM2)，子变换运算包含多个运算层，其特征在于，它包含能够以交替方式将第一个子变换和第二个子变换的运算层交织起来的运算装置(CAL_M)，其中每个子变换包含多个层，所述运算装置(CAL_M)包括多个基本模块，每个基本模块以序列顺序执行每一层子变换的运算，第一子变换的第一层的运算之后跟随着第二子变换的第一层的运算，第一子变换的第二层的运算之后跟随着第二子变换的第二层的运算，如此继续直到不再有任何子变换要被运算。
2.根据权利要求1中的运算设备(FFTP)，其特征在于，运算装置(CAL_M)能够实现两个具有相同大小的相邻子变换之间的交织。
3.根据权利要求1中的运算设备(FFTP)，其特征在于，如果子变换的大小小于或等于四倍的子变换基本运算等待时间，那么运算装置(CAL_M)便会进行交织。
4.根据权利要求3中的运算设备(FFTP)，其特征在于，子变换是基于带有优化排列的运算方法。
5.一种对包含子变换的离散变换进行运算的方法，所述方法适于在局部存储器(RAM2)中记录子变换运算结果，其特征在于，它包含以交替方式实现第一个子变换和第二个子变换运算层间交织的步骤，每个子变换包括多个层，每层包括以序列顺序执行的多个基本运算，第一子变换的第一层的运算之后跟随着第二子变换的第一层的运算，第一子变换的第二层的运算之后跟随着第二子变换的第二层的运算，如此继续，直到不再有任何子变换需要被运算。
6.根据权利要求5中的变换运算的方法，其特征在于，在两个具有相同大小的相邻子变换之间实现交织。
7.根据权利要求5中的变换运算的方法，其特征在于，如果子变换的大小小于或等于四倍的子变换基本运算等待时间，那么会产生交织。
8.根据权利要求7中的子变换运算方法，其特征在于，子变换是基于带有优化排列的运算方法。
9.一种接收机，包括具有如权利要求1中所述的用于运算离散变换的运算设备(FFTP)的解调器，所述接收机适合于接收样本分组，所述分组通过所述运算设备(FFTP)进行解调。
10.一种发射***，包含用于调制信号和经由信道发送所述信号至接收机的发射机，并且所述接收机通过如权利要求1中所述的运算设备(FFTP)来解调所述信号。
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