[发明专利]可编程的傅里叶变换存内计算电路

说明书

本发明将突破传统的傅里叶变换实现方式，探索基于存算一体技术的傅里叶变换实现新方法，创新性地从模拟电路角度提出高能效的傅里叶变换计算电路，属于信号分析与信号处理领域。首先，研究如何利用忆阻阵列设计复数矩阵乘法运算电路；其次，在此基础上，展开对一维傅里叶变换及其逆变换的可编程存内计算电路的研究。考虑在实际应用中需要处理大量的二维信号，因此，在一维傅里叶变换计算电路研究基础上，进行二维傅里叶变换的可编程存内计算电路研究。本发明对实时傅里叶变换的实现有十分重要的科学意义和潜在的经济效益；研究成果可以广泛应用于物联网领域中的信号处理，有助于在该领域形成核心知识产权。

技术领域

本发明涉及可编程的傅里叶变换存内计算电路，属于信号分析与信号处理领域。

背景技术

近年来，傅里叶变换的实现方式已成为国内外研究的热点。但基于软件的实现方案，依托于计算机的软件编程实现，难以部署在实际应用中；现存的硬件实现方式在一定程度上提升了傅里叶变换的计算性能，但仍有在计算大点数傅里叶变换时内存受限、实时性低以及硬件功耗大等问题：

(1)基于软件算法的实现方法：1968年，技术人员提出了一种被称为“分裂基”的DFT(快速傅里叶变换)算法，比之前提出的经典“基-2”算法运算速度提高了20％。此后，与“分裂基”相关的一系列算法陆续被提出，包括一种分而治之技术的DFT算法，该算法是通过减少加法数量来提升运算速度。又提出了一种递归循环组分解算法(RCFA)，该算法可以通过使用有限数量的不同计算单元来实现。一种名为“共轭对DFT”的变体可以减少操作数量，不过后来文献证实了该方法的操作数与正常的“分裂基”相同。美国的技术人员对“分裂基”进行了递归修改，该算法的操作数比之前的少6％。与一维DFT算法类似，2D-DFT也在算法层面上不断的改进，在传统方法上，2D-DFT是通过复用一维DFT来计算的，这种方法被称为“行列”法。一维DFT技术的快速发展也为2D-DFT的实现提供了更多的可能性，“向量基”DFT就是其中之一。此外，美国的的学者利用“多向量”的DFT算法可以同时计算数组中所有的列变换，同时也避免了一些不必要的乘法运算，提升了运算速度。不仅如此，还有一种模拟Cooley-Tukey算法，该算法比标准的算法少了一些加法和乘法运算。提出了一种在收缩阵列结构上实现2D-DFT的新方法，这种方法显著减少了运算所需的乘法。国内也有许多学者在算法层面上对傅里叶变换进行了优化，研究人员通过消除函数插值的要求，改进了函数插值2D-DFT的精度。2020年研究员提出了一套针对偶数基的Cooley-Tukey DFT的优化策略和方法，还提出一种超大点数DFT的实现方法；该方法通过优化铰链因子存储，采用行列号方式访问2维矩阵避免了3次显性转置，从而节省了内存资源。此后在2021年，研究人员又利用素数因子分解与Cooley-Tukey分解相结合的混合分解模式，并采用通用蝶形单元模块设计的方法，提出了一种可适应不同点数DFT计算的混合基DFT算法。同年，研究人员将DFT的计算特点与分布式流处理相结合，提出了一种基于Flink的DFT并行流程方法，同时在Flink中设计了适用于DFT的缓存窗口，使得通信时间和计算时间有部分时间重叠，加快DFT处理时间。基于上述文献的分析可以看出在算法改进层面上，研究人员通过各种方法减少计算量来提升运算速度。但目前软件算法的改进主要依靠通用计算机的软件编程方式实现，运算速度较慢，性能开销大，难以部署在实际应用中；