JP6451647B2 - 高速フーリエ変換装置、高速フーリエ変換方法、及び高速フーリエ変換プログラム - Google Patents
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Description
1)D>0の場合(高周波数方向へシフトさせるためのオフセット付加)
X'(k)=X(k−D+N) (0≦k<D のとき)
X(k−D) (D≦k<N/2 のとき)
0 (N/2≦k<N/2+D のとき)
X(k−D) (N/2+D≦k<N のとき)
2)D<0の場合(低周波数方向へシフトさせるためのオフセット付加)
X'(k)=X(k−D) (0≦k<N/2+D のとき)
0 (N/2+D≦k<N/2 のとき)
X(k−D) (N/2≦k<N+D のとき)
X(k−D−N) (N+D≦k<N のとき)
3)D=0の場合(シフトなし)
X'(k)=X(k) (0≦k<N)
このように、周波数オフセット補償後の信号の周波数番号には、補償前の信号の周波数番号に対して、周波数番号の値に応じた所定のずれが生じる。通常、周波数領域における信号処理は、ある周波数番号の処理を1サイクルとして、周波数番号の順に行われる。そのため、周波数オフセット補償後の信号X'(k)の処理と、補償前の信号X(k)の処理とは、同じサイクルで実行することができない。従って、周波数オフセット補償を実現するためには、周波数領域の信号X(k)(k=0,1,・・・,N−1)の処理サイクルを、信号X(k)が入力されたサイクルとは異なるサイクルへ移動させる必要がある。この場合、信号X(k)の処理サイクルの移動先サイクルに極力近いサイクルに、信号X(k)が入力されることが望ましい。なぜなら、異なるサイクルへ信号X(k)の処理サイクルを移動させるためには、信号X(k)が入力されたサイクルから移動先サイクルまで、信号X(k)を保持する必要があり、信号X(k)の保持が全体としての処理速度の低下の原因になるためである。
(発明の目的)
本発明は、デジタル信号処理におけるFFT/IFFT処理において、処理対象のデータの入力や処理結果の出力を任意の順序で行うことが可能な高速フーリエ変換回路、高速フーリエ変換処理方法、及び高速フーリエ変換プログラムが記憶された記憶媒体を提供することを目的とする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るFFT装置10の構成例を示すブロック図である。FFT装置10は、図14に示されたデータフロー500に従って、2段階の基数8のバタフライ処理に分解された64ポイントFFTを、パイプライン回路方式によって処理する。FFT装置10は、時間領域のデータx(n)(n=0,1,・・・ ,N−1)が入力されると、x(n)をFFT処理によりフーリエ変換して周波数領域の信号X(k)(k=0,1,・・・,N−1)を生成し、出力する。ここで、NはFFTブロックサイズを表す正整数である。
ps(i)=8(s−1)+i
である。そして、各データ組は、処理のサイクルの進行に対応して、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8の順に並べられている。つまり、逐次順序とは、i×s個のデータを、先頭のデータからi個ずつデータ順に並べてデータ組をs個作成し、そのデータ組をサイクル順に並べたものである。
qs(i)=(s−1)+8i
である。そして、各データ組は、処理のサイクルの進行に対応して、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8の順に並べられている。つまり、ビットリバース順序とは、逐次順序で入力されたi×s個のデータを、先頭のデータからs個ずつサイクル順に並べ、同じサイクルのi個のデータを1つの組としてデータ順に並べたものである。
Qs(i)=Pi(s)
である。このように、Qs(i)とPi(s)とは、各データ組を構成するデータについての、サイクルの進行に対する順序とデータ位置に対する順序とが入れ替えられた関係にある。従って、ビットリバース順序で入力されたデータを、ビットリバース順序に従って並べ替えると、逐次順序になる。
1サイクル目:
データ組D8を構成するX(56),X(57),・・・,X(63)の8データが出力される。
2サイクル目:
データ組D1を構成するX(0),X(1),・・・,X(7)の8データが出力される。
3サイクル目:
データ組D2を構成するX(8),X(9),・・・,X(15)の8データが出力される。
4サイクル目:
データ組D3を構成するX(16),X(17),・・・,X(23)の8データが出力される。
5サイクル目:
データ組D4を構成するX(24),X(25),・・・,X(31)の8データが出力される。
6サイクル目:
データ組D5を構成するX(32),X(33),・・・,X(39)の8データが出力される。
7サイクル目:
データ組D6を構成するX(40),X(41),・・・,X(47)の8データが出力される。
8サイクル目:
データ組D7を構成するX(48),X(49),・・・,X(55)の8データが出力される。
X'(k) (k=8〜15): 2サイクル目
X'(k) (k=16〜23):3サイクル目
X'(k) (k=24〜31):4サイクル目
X'(k) (k=32〜39):5サイクル目
X'(k) (k=40〜47):6サイクル目
X'(k) (k=48〜55):7サイクル目
X'(k) (k=56〜63):8サイクル目
このとき、以下の関係が成り立つ。
X(k−8) (8≦k<64 の場合)
周波数領域の信号X(k)に、高周波数の方向に周波数番号kの値について8だけ周波数オフセットが付加された周波数領域の信号X'(k)は、以下の通りである。
X(k−8) (8≦k<32 の場合)
0 (32≦k<40 の場合)
X(k−8) (40≦k<64 の場合)
従って、周波数領域の信号X'(k)を生成するために、新たに異なるサイクル間での信号の移動が必要ではなく、新たにデータの並べ替えのための回路を必要としない。すなわち、周波数領域の信号X(k)(k=0,1,・・・,63)の周波数スペクトルを、周波数番号kの値について8だけ高周波数の方向に移動させるため、望ましい信号の出力順序が実現される。
(第1の実施形態の効果)
以上のように、本実施形態では、FFT装置10は、周波数オフセット設定52を用いて順序を指定することによって、任意の順序でデータを出力することができる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態とは逆に、FFT/IFFT処理の前段の処理結果を、任意の順序で、FFT/IFFT処理装置に入力することもできる。そのため、例えば、周波数スペクトルの移動等、処理サイクルの移動が必要な処理を行う処理装置に、その処理にとって望ましい順序で、FFT/IFFT処理の前段の処理結果を入力することができる。この場合は、入力された前段の処理結果を、FFT/IFFT処理に適した順序に並べ替えることが、FFT/IFFT処理の高速化や、回路規模及び消費電力の増加の抑制のために有効である。
X(k+8−64) (56≦k<64 の場合)
周波数領域の信号X(k)に、低周波数の方向に周波数番号kの値について8だけ周波数オフセットが付加された周波数領域の信号X'(k)は、以下の通りである。
0 (24≦k<32 の場合)
X(k+8) (32≦k<56 の場合)
X(k+8−64) (56≦k<64 の場合)
従って、周波数領域の信号X'(k)を生成するために、新たに異なるサイクル間での信号の移動が必要なく、新たにデータの並べ替えのための回路を必要としない。すなわち、周波数領域の信号X(k)(k=0,1,・・・,63)の周波数スペクトルを、周波数番号kの値について8だけ低周波数の方向に移動させるため、望ましい信号の出力順序が実現される。
(第2の実施形態の効果)
以上のように、本実施形態では、IFFT装置20は、周波数オフセット設定54を用いて順序を指定することによって、周波数スペクトルの移動等のための、処理サイクルの移動の実現に望ましい順序でデータを入力することができる。従って、FFT装置10の出力順序に対応して、入力に対する新たな並べ替え手段を必要としない。
(第3の実施形態)
FFT装置10において、第2のデータ並べ替え処理部12に改造を加えることによって、第3のデータ並べ替え処理部13は省略することができる。FFT装置10から第3のデータ並べ替え処理部13を除いたFFT装置30の構成を、図9を参照して説明する。
1サイクル目:
データ組Q8を構成するX(7),X(15),・・・,X(63)の8データを出力される。
2サイクル目:
データ組Q1を構成するX(0),X(8),・・・,X(56)の8データを出力される。
3サイクル目:
データ組Q2を構成するX(1),X(9),・・・,X(57)の8データを出力される。
4サイクル目:
データ組Q3を構成するX(2),X(10),・・・,X(58)の8データを出力される。
5サイクル目:
データ組Q4を構成するX(3),X(11),・・・,X(59)の8データを出力される。
6サイクル目:
データ組Q5を構成するX(4),X(12),・・・,X(60)の8データを出力される。
7サイクル目:
データ組Q6を構成するX(5),X(13),・・・,X(61)の8データを出力される。
8サイクル目:
データ組Q7を構成するX(6),X(14),・・・,X(62)の8データを出力される。
X'(1),X'(9),・・・,X'(57): 2サイクル目
X'(2),X'(10),・・・,X'(58):3サイクル目
X'(3),X'(11),・・・,X'(59):4サイクル目
X'(4),X'(12),・・・,X'(60):5サイクル目
X'(5),X'(13),・・・,X'(61):6サイクル目
X'(6),X'(14),・・・,X'(62):7サイクル目
X'(7),X'(15),・・・,X'(63):8サイクル目
このとき、以下の関係が成り立つ。
X(k−1) (1≦k<64 の場合)
周波数領域の信号X(k)に、高周波数の方向に周波数番号kの値について1だけ周波数オフセットが付加された周波数領域の信号X'(k)は、以下の通りである。
X(k−1) (1≦k<32 の場合)
0 (32≦k<33 の場合)
X(k−1) (33≦k<64 の場合)
従って、周波数領域の信号X'(k)を生成するために、新たに異なるサイクル間での信号の移動が必要なく、新たにデータの並べ替えのための回路を必要としない。すなわち、周波数領域の信号X(k)(k=0,1,・・・,63)の周波数スペクトルを、周波数番号kの値について1だけ高周波数の方向に移動させるため、望ましい信号の出力順序が実現される。
(第3の実施の形態の効果)
以上のように、本実施形態では、FFT装置30は、周波数オフセット設定56を用いて順序を指定することによって、任意の順序でデータを出力することができる。
(第4の実施形態)
第3の実施形態とは逆に、FFT/IFFT処理の前段の処理結果を、任意の順序で、FFT/IFFT処理装置に入力することもできる。そのため、例えば、周波数スペクトルの移動等、処理サイクルの移動が必要な処理を行う処理装置に、その処理にとって望ましい順序で、FFT/IFFT処理の前段の処理結果を入力することができる。この場合は、入力された前段の処理結果を、FFT/IFFT処理に適した順序に並べ替えることが、FFT/IFFT処理の高速化や、回路規模及び消費電力の増加の抑制のために有効である。
(第4の実施形態の効果)
以上のように、本実施形態では、IFFT装置40は、周波数オフセット設定58を用いて順序を指定することによって、周波数スペクトルの移動等のための処理サイクルの移動の実現に望ましい順序でデータを入力することができる。従って、FFT装置30の出力順序に対応して、入力に対する新たな並べ替え手段を必要としない。
(第5の実施形態)
図13は、本発明の第5の実施形態におけるデジタルフィルタ回路400の構成例を示すブロック図である。デジタルフィルタ回路400は、FFT回路413、IFFT回路414、データシフト回路415、及びフィルタ回路421、を備える。
x(n)=r(n)+js(n) ・・・(1)
を入力する。
X(k)=A(k)+jB(k) ・・・(2)
に変換する。
1)D>0の場合(高周波数方向へサイクルをシフト)
X'(k)=X(k−D+N) (0≦k<D のとき)
X(k−D) (D≦k<N/2 のとき)
0 (N/2≦k<N/2+D のとき)
X(k−D) (N/2+D≦k<N のとき)
2)D<0の場合(低周波数方向へサイクルをシフト)
X'(k)=X(k−D) (0≦k<N/2+D のとき)
0 (N/2+D≦k<N/2 のとき)
X(k−D) (N/2≦k<N+D のとき)
X(k−D−N) (N+D≦k<N のとき)
3)D=0の場合(シフトなし)
X'(k)=X(k) (0≦k<N)
次に、フィルタ回路421は、データシフト回路415が複素数信号432として出力したX(k)に対して、フィルタ係数信号445によって入力されるフィルタ係数C1(k)を用いて、複素数乗算による複素数フィルタ処理を行う。具体的には、フィルタ回路421は、0≦k≦N−1の周波数番号kのそれぞれについて、複素数信号
X'(k)=X(k)×C1(k) ・・・(3)
を計算して、複素数信号433として出力する。
(第5の実施形態の効果)
以上のように、本実施形態によれば、周波数領域の複素数信号をデータシフト回路により、サイクル移動量の設定値に基づいて信号データのシフト処理を行うことで、処理サイクルの移動を実現する。これにより、周波数オフセットの付加等、処理サイクルの移動が必要な処理の高速化が実現される。
(付記1)
高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行って、複数の第1の出力データを生成し、第1の順序で出力する第1の変換手段と、前記第1の順序で出力された前記複数の第1の出力データを、第1の移動量に基づく出力順序設定に従って第2の順序に並べ替える第1のデータ並べ替え処理手段と、を備える高速フーリエ変換装置。
(付記2)
前記第1の移動量は、前記第1の変換手段が高速フーリエ変換を行うときは周波数の移動量であり、前記第1の変換手段が逆高速フーリエ変換を行うときは時間の移動量であることを特徴とする付記1に記載の高速フーリエ変換装置。
(付記3)
前記第1の変換処理手段は、バタフライ演算処理を行い、前記第1の順序で前記複数の第1の出力データを出力するバタフライ演算処理手段を含み、前記第1のデータ並べ替え処理手段は、前記バタフライ演算処理後の前記複数の第1のデータを前記第2の順序に並べ替えることを特徴とする付記1又は2に記載の高速フーリエ変換装置。
(付記4)
前記第1のデータ並べ替え処理手段は、前記複数の第1の出力データを記憶する第1の記憶手段と、前記出力順序設定に基づいて、前記第1の記憶手段からの前記複数の第1の出力データの読み出しアドレスを生成する読み出しアドレス生成手段とを備え、前記複数の第1の出力データを前記第1の順序で記憶し、前記第2の順序で読み出すことを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の高速フーリエ変換装置。
(付記5)
前記複数の第1の出力データをX(k)(kは0≦k≦N−1の整数、NはN>0の高速フーリエ変換又は逆高速フーリエのポイント数)とするとき、前記第1のデータ並べ替え処理手段は、前記出力設定が指定する順序で出力することを特徴とする付記1乃至4のいずれかに記載の高速フーリエ変換装置。
(付記6)
第3の順序で入力される複数の第2の入力データを、第2の移動量に基づく入力順序設定に従って第4の順序に並べ替える第2のデータ並べ替え処理手段と、前記第4の順序に並べ替えられた前記複数の第2の入力データに対して、高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行う第2の変換手段と、を備える高速フーリエ変換装置。
(付記7)
前記第2の移動量は、前記第2の変換手段が高速フーリエ変換を行うときは時間の移動量であり、前記第2の変換手段が逆高速フーリエ変換を行うときは周波数の移動量であることを特徴とする付記6に記載の高速フーリエ変換装置。
前記第2の変換手段は、バタフライ演算処理を行うバタフライ演算処理手段を含み、前記第2のデータ並べ替え処理手段は、前記第4の順序で前記バタフライ演算処理手段に前記複数の第2の入力データを入力することを特徴とする付記6又は7に記載の高速フーリエ変換装置。
前記第2のデータ並べ替え処理手段は、前記複数の第2の入力データを記憶する第2の記憶手段と、前記入力順序設定に基づいて、前記第2の記憶手段への前記複数の第2の入力データの書き込みアドレスを生成する書き込みアドレス生成手段とを備え、前記複数の第2の入力データを前記第3の順序で記憶し、前記第4の順序で読み出すことを特徴とする付記6乃至8のいずれかに記載の高速フーリエ変換装置。
前記複数の第1の入力データをX(k)(kは0≦k≦N−1の整数、NはN>0の高速フーリエ変換又は逆高速フーリエのポイント数)とするとき、前記第2のデータ並べ替え処理手段は、前記入力設定が指定する順序で前記バタフライ演算処理手段に入力することを特徴とする付記6乃至9のいずれかに記載の高速フーリエ変換装置。
(付記11)
付記1又は6に記載の高速フーリエ変換装置を含むフィルタ装置。
(付記12)
高速フーリエ変換若しくは逆高速フーリエ変換により生成された複数の出力データの、第1の移動量設定に基づく出力順序設定に従った並べ替え、又は前記高速フーリエ変換若しくは前記逆高速フーリエ変換の複数の入力データの、第2の移動量設定に基づく入力順序設定に従った並べ替えを行う高速フーリエ変換方法。
(付記13)
高速フーリエ変換装置が備えるコンピュータを、高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行う手段、及び前記高速フーリエ変換若しくは前記逆高速フーリエ変換により生成された複数の出力データの、第1の移動量設定に基づく出力順序設定に従って並べ替える並べ替え手段、又は前記高速フーリエ変換若しくは前記逆高速フーリエ変換の複数の入力データの、第2の移動量設定に基づく入力順序設定に従って並べ替える並べ替え手段として機能させるための高速フーリエ変換プログラム。
20、40 IFFT装置
11、12、13、14、15、16、17 データ並べ替え処理部
21、22 バタフライ演算処理部
31 ひねり乗算処理部
41、43 読み出しアドレス生成部
42、44 書き込みアドレス生成部
51、55 読み出しアドレス
52、56 周波数オフセット設定
53、57 書き込みアドレス
54、58 周波数オフセット設定
60、70、80 高速フーリエ変換装置
61、72 フーリエ変換部
62、71、83 データ並べ替え処理部
81、82 処理部
100、200、300 データ並べ替え処理部
101a〜101h データ記憶位置
102a〜102h データ読み出し位置
201a〜201h データ記憶位置
301a〜301h データ記憶位置
400 デジタルフィルタ回路
413 FFT回路
414 IFFT回路
415 データシフト回路
421 フィルタ回路
431〜433 複素数信号
444 サイクル移動量信号
445 フィルタ係数信号
500 データフロー
501 データ並べ替え処理
502、503 バタフライ演算処理
504 ひねり演算処理
505 部分データフロー
600 FFT装置
601 FFT部
602 データ並べ替え処理部
Claims (9)
- 高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行って、複数の第1の出力データを生成し、第1の順序で出力する第1の変換手段と、
前記第1の順序で出力された前記複数の第1の出力データを、第1の移動量に基づく出力順序設定に従って第2の順序に並べ替える第1のデータ並べ替え処理手段と、
を備え、
前記第1の移動量は、前記第1の変換手段が高速フーリエ変換を行うときは周波数の移動量であり、前記第1の変換手段が逆高速フーリエ変換を行うときは時間の移動量である
高速フーリエ変換装置。 - 前記第1の変換手段は、バタフライ演算処理を行い、前記第1の順序で前記複数の第1の出力データを出力するバタフライ演算処理手段を含み、
前記第1のデータ並べ替え処理手段は、前記バタフライ演算処理後の前記複数の第1のデータを前記第2の順序に並べ替える
ことを特徴とする請求項1に記載の高速フーリエ変換装置。 - 前記第1のデータ並べ替え処理手段は、
前記複数の第1の出力データを記憶する第1の記憶手段と、前記移動量設定に基づいて、前記第1の記憶手段からの前記複数の第1の出力データの読み出しアドレスを生成する読み出しアドレス生成手段とを備え、
前記複数の第1の出力データを前記第1の順序で記憶し、前記第2の順序で読み出すこと
を特徴とする請求項1又は2に記載の高速フーリエ変換装置。 - 前記複数の第1の出力データをX(k)(kは0≦k≦N−1の整数、NはN>0の高速フーリエ変換又は逆高速フーリエのポイント数)とするとき、前記第1のデータ並べ替え処理手段は、前記出力設定が指定する順序で出力すること
を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の高速フーリエ変換装置。 - 第3の順序で入力される複数の第2の入力データを、第2の移動量に基づく入力順序設定に従って第4の順序に並べ替える第2のデータ並べ替え処理手段と、
前記第4の順序に並べ替えられた前記複数の第2の入力データに対して、高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行う第2の変換手段と、
を備え、
前記第2の移動量は、前記第2の変換手段が高速フーリエ変換を行うときは時間の移動量であり、前記第2の変換手段が逆高速フーリエ変換を行うときは周波数の移動量である高速フーリエ変換装置。 - 前記第2の変換手段は、バタフライ演算処理を行うバタフライ演算処理手段を含み、前記第2のデータ並べ替え処理手段は、前記第4の順序で前記バタフライ演算処理手段に前記複数の第2の入力データを入力することを特徴とする請求項5に記載の高速フーリエ変換装置。
- 前記第2のデータ並べ替え処理手段は、前記複数の第2の入力データを記憶する第2の記憶手段と、前記入力順序設定に基づいて、前記第2の記憶手段への前記複数の第2の入力データの書き込みアドレスを生成する書き込みアドレス生成手段とを備え、前記複数の第2の入力データを前記第3の順序で記憶し、前記第4の順序で読み出すことを特徴とする請求項5又は6に記載の高速フーリエ変換装置。
- 請求項1又は5に記載の高速フーリエ変換装置を含むデジタルフィルタ装置。
- 高速フーリエ変換装置が備えるコンピュータを、
高速フーリエ変換又は逆高速フーリエ変換を行う手段、及び
前記高速フーリエ変換若しくは前記逆高速フーリエ変換により生成された複数の出力データの、第1の移動量設定に基づく出力順序設定に従って並べ替える並べ替え手段、又は前記高速フーリエ変換若しくは前記逆高速フーリエ変換の複数の入力データの、第2の移動量設定に基づく入力順序設定に従って並べ替える並べ替え手段
として機能させ、
前記第1の移動量は、前記コンピュータを前記高速フーリエ変換を行う手段として機能させるときは周波数の移動量であり、前記コンピュータを前記逆高速フーリエ変換を行う手段として機能させるときは時間の移動量である、
高速フーリエ変換プログラム。
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