Power-Efficient Hardware Architecture for Computing Split-Radix FFT on Highly Sparse Spectrum

Le problème du transfert des signaaux du domaine temporel au domaine fréquentiel d'une manière efficace, lorsque le contenu du spectre de fréquences a une faible densité, est le sujet de cette thèse. La technique bien connue de la transformée de Fourier rapide (FFT) est l'algorithme de traitement de signal privilégié pour observer le contenu fréquentiel des signaux entrants à des émetteurs-récepteurs de télécommunication, tels que la radio cognitive, ou la radio définie par logiciel qu‟on utilise habituellement pour l‟analyse du spectre dans une bande de fréquences. Cela peut représenter un lourd fardeau de calcul sur des processeurs lorsque la FFT ordinaire est mise en oeuvre, ce qui peut impliquer une consommation d'énergie considérable. L'alimentation en énergie est une ressource limitée dans les appareils mobiles et, par conséquent, cette ressource peut être critique pour des dispositifs de télécommunications mobiles. Dans le but de développer un processeur économe en énergie pour les applications de transformation temps-fréquence, un algorithme de transformée de Fourier plus efficace, en termes du nombre de multiplications et d'additions complexes, est sélectionné. En effet, la Split-Radix Fast Fourier Transform (SRFFT) offre une performance meilleure que la FFT classique en termes de réduction du nombre de multiplications complexes nécessaires et elle peut donc conduire à une consommation d'énergie réduite. En appliquent le concept d'élagage des calculs inutiles, c'est-à-dire des multiplications complexes avec entrées ou sorties à zéro, tout au long de l'algorithme, on peut réduire la consommation d'énergie.Ainsi, une architecture matérielle énergétiquement efficace est développée pour le calcul de la SRFFT. Cette architecture est basée sur l'élagage des calculs inutiles. En fait, pour tirer parti du potentiel de la SRFFT, une nouvelle architecture d'un processeur de SRFFT configurable est d'abord conçue, puis l'architecture est développée afin d'éliminer les calculs inutiles. Cela se fait par l'utilisation appropriée d'une matrice d'élagage.

Abstract

The problem of transferring a time domain signal into the frequency domain in an efficient manner, when the frequency contents are sparsely distributed, is the research topic covered in this thesis. The well-known Fast Fourier Transform (FFT) is the most common signal processing algorithm for observing the frequency contents of incoming signals in telecommunication transceivers. It is notably used in cognitive or software defined radio which usually demands for monitoring the spectrum in a wide frequency band. This may imply a heavy computation burden on processors when the ordinary FFT algorithm is implemented, and hence yield considerable power consumption. Power and energy supply is a limited resource in mobile devices and therefore, efficient execution of the Fourier transform has turned out to be critical for mobile telecommunication devices.With the purpose of developing a power-efficient processor for time-frequency transformation, the most computationally efficient Fourier transform algorithm is selected among the existing Fourier transform algorithms upon studying them in terms of required arithmetic operations, i.e. complex multiplications and additions. Indeed, the Split-Radix Fast Fourier Transform (SRFFT) offers a performance that is better than conventional FFT in terms of reduced number of complex multiplications and hence, can reduce power consumption.Appling the concept of pruning of the unnecessary computations, i.e. complex multiplications with either zero inputs or outputs, throughout the whole algorithm may reduce the power consumption even further.