I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   6 ,   No .   3 No v em b er   201 7 ,   p p .   186~ 190   I SS N:  2 089 - 4 864 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r es . v6 . i3 . pp 186 - 1 9 0          186       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   O pti m i z a tion o Reso urce U tili z a ti o n of F a st  Fourie r Tra nsfo r m       Su bh a s h Cha n dra   Ya da v 1 ,   P ra deep  J un ej a 2 ,   R.   G .   Va rsh ney 3   1, 2 S c h o o o f   El e c tro n ics ,   G ra p h ic  Era Un iv e rsity ,   De h ra d u n ,   In d ia   3 S c h o o o f   A p p li e d   S c ien c e s,  G ra p h ic E ra   U n iv e rsity ,   De h ra d u n ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   02 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Oct   0 3 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Oct   17 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e c o n sid e rs  th e   o p ti m iza ti o n   o f   re so u rc e   u ti li z a ti o n   f o th re e   F F a lg o rit h m s,  a it   p e rtain n o to   th e   in p u sa m p les   o o u t p u m o d e s,  b u t o   th e   tw id d le  f a c to rs  th a a rise   in   Co o l e y - T u k e y   F F T   a lg o rit h m s.  Tw id d le  f a c to rs   a re   a   se o f   c o m p le x   ro o ts  o f   u n it y ,   f ix e d   b y   th e   tran s f o rm   o rd e f o th e   p a rti c u lar  a lg o rit h m .   T h is  p a p e s h o w th e   c o m p a riso n   b e tw e e n   th r e e   k n o w n   F F T   a lg o rit h m s,  DIT - F F T ,   DIF - F F T   a n d   G a lg o rit h m .   A ll   th e s e   a lg o rit h m s   a re   im p le m e n ted   o n   F P G A   (S p a rtan - 3   X C3 S 4 0 0 0 l - 4 f g 9 0 0 w it h   X IL INX   1 0 . 1   IS E .   K ey w o r d s :   Dec i m atio n - In - Fre q u e n c y   ( DI F )   Dec i m atio n - In - T i m ( DI T )   Dis cr ete  Fo u r ier   T r an s f o r m   ( DFT )   Fas t Fo u r ier   T r an s f o r m   ( FFT )   Field   P r o g r am m ab le  Gate   A r r a y   ( FP GA )   Ver y   L ar g Scale  I n te g r ated   C ir cu it Ha r d w ar Descr ip tio n   L a n g u a g ( VHD L )     Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Su b h a s h   C h an d r Yad av ,   Sch o o l o f   E lectr o n ics ,   Gr ap h i E r Un iv er s it y   5 6 6 /6 ,   B ell  R o ad ,   C lem e n t T o w n ,   Deh r ad u n   2 4 8 0 0 2 ,   I n d ia .   E m ail:  s u b h a s h . y ad av 7 7 5 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h er ar m ai n l y   t w o   r ea s o n s   to   co n v er t a   ti m e   d o m ai n   s i g n al  in to   f r eq u e n c y   d o m ai n   s i g n al.   First,  to   d ec o m p o s co m p lex   s ig n al   in to   s i m p ler   p ar ts   to   f ac ilit ate  an al y s is   a n d   s ec o n d l y   d i f f er en tial  eq u a tio n ,   d if f er e n ce   eq u at io n s   a n d   co n v o lu tio n   o p er atio n s   i n   t h t i m d o m ai n   b ec o m a lg eb r ai o p er atio n s   in   th e   f r eq u en c y   d o m ai n .   T h Fo u r i er   s er ies  u s ed   to   co n v er co n t in u o u s   t i m a n d   d is cr ete  ti m e   p er io d ic  s eq u en ce   in to   f r eq u en c y   d o m ai n .   T h b asic  r ep r esen tatio n   o f   p er io d ic  s i g n al   is   t h Fo u r ier   s er ie s ,   w h ic h   is   li n ea r   w ei g h ted   s u m   o f   r elate d   s in u s o id s   o r   c o m p le x   ex p o n e n tial  [ 1 ] .   T h Fo u r ier   tr an s f o r m   is   w a y   to   d ec o m p o s e   s i g n a i n to   it s   co n s ti tu e n f r e q u en cie s   a n d   v er s io n s   it   is   ap p lied   to   th e   ap er io d ic  co n tin u es  ti m a n d   d i s cr ete  ti m d o m ai n   s i g n al  [ 2 ] .   DFT   is   f in ite  d u r atio n   d is cr ete  f r eq u en c y   s eq u e n ce   w h ic h   is   o b tain ed   b y   s a m p li n g   o n p er io d   o f   Fo u r ier   T r an s f o r m   . Sa m p li n g   is   d o n at  N’   eq u all y   s p ac ed   p o in ts   o v er   th p er io d   ex ten d in g   f r o m   ω 0 =0   to   ω 0 =2 .     ( ) = ( ) ( 2 ) / 1 = 0   ( 1 )     W h er e   W = ( 2 ) /   an d   k = 0 . . 1 . . N - 1 W N   is   ca lled   t w id d le  Facto r ,   it  m ak e s   th co m p u ta tio n   o f   DFT   m o r e   ea s y   an d   f a s t.  T h t w id d le  f ac t o r   ( W N ) ,   d escr ib es   " r o tatin g   v ec to r " ,   w h ich   r o tates i n   in cr e m en ts   ac co r d in g   to   th n u m b er   o f   s a m p le s   N.   A s   1 8 0   d eg r ee s   o u o f   p h a s ar t h n e g ati v o f   ea ch   o t h er .   So   f o r   ex a m p le,   W   f o r   N = 4   s a m p les,  w h er n = 0 ,   4 ,   8 ,   etc,   ar th n eg ati v o f   n = 2,   6,   1 0 ,   etc.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Op timiz a tio n   o f R eso u r ce   Utiliz a tio n   o f F a s t F o u r ier Tr a n s fo r m   ( S u b h a s h   C h a n d r a   Ya d a v )   187   T h B u tter f l y   d ia g r a m   tak e s   ad v an ta g o f   t h is   r ed u n d a n c y   an d   s y m m etr y ,   w h ic h   is   p ar o f   w h a t   m ak e s   t h F FT   p o s s ib le.   An   FF T   is   w a y   to   co m p u te  t h s a m r es u lt  m o r q u ic k l y   co m p u ti n g   DFT   of   N   p o in ts   in   th n ai v w a y ,   u s i n g   t h d ef i n it io n ,   ta k es   O( N 2 )   ar ith m etica o p er atio n s ,   w h ile  a n   F FT   ca n   co m p u te  t h s a m r es u lt  i n   o n l y   O( N   lo g   N )   o p er atio n s .   T h d if f er en ce   i n   s p ee d   ca n   b s u b s tan tial,  e s p ec iall y   f o r   lo n g   d ata  s et s   w h er e   N   m a y   b in   t h th o u s a n d s   o r   m il lio n s in   p r ac tice,   th co m p u tatio n   ti m ca n   b e   r ed u ce d   b y   s ev er al   o r d er   o f   m ag n i tu d e   i n   s u c h   ca s es,  a n d   th i m p r o v e m e n is   r o u g h l y   p r o p o r tio n al  to   N   lo g   ( N ) .   T h is   h u g i m p r o v e m e n m ad m a n y   DFT - b ased   alg o r i th m s   p r ac tical .   T h FF T   is   f ast  alg o r ith m   to   f i n d   o u th DFT   o f   s eq u e n ce ,   d ir ec co m p u tatio n   o f   DFT   o f   s eq u en ce   r eq u ir ed   ( 2 )   co m p le x   m u lt ip licatio n   an d ( 2 )   co m p le x   ad d itio n   an d   if   w co m p u te  D FT   o f   s eq u e n ce   b y   FF T   alg o r ith m   t h er e   r eq u ir ed   ( 2 l og 2 )   C o m p lex   M u ltip licat io n   a n d   ( l og 2 )   co m p le x   ad d itio n .   I n   t h ca s o f   DFT   th er ar N 2   co m p le x   m u lt ip licatio n   an d   N N 2   c o m p le x   ad d itio n   ar r eq u ir ed   f o r   p o in DFT .   B u in   th ca s o f   FF T   th er ar 2  2 N   m u ltip licat io n   an d   N N 2 l og ad d itio n   ar r eq u ir ed .           Fig u r 1 .   T w id d le  f ac to r   as a   r o tatin g   v ec to r       2.   DE CIM AT I O I T I M E   F F T   AL G O RI T H M     Dec i m atio n   i n   ti m F FT   alg o r ith m   i m p l y   f ir s t   d iv id i n g   t h e   in p u s eq u e n ce   i n   ti m d o m a in   [ 3 ]   a n d   th en   p r o ce s s ed   f o r   th F FT   c o m p u tatio n .   L et  b ) ( n x s eq u en c w h ic h   w w a n to   co n v er i n to   f r eq u e n c y   d o m ai n   a n d   ) ( 1 m f an d   ) ( 2 m f ar th ev e n   an d   o d d   p ar r esp ec tiv el y   th e n   th DFT   o f   t h s eq u e n ce   ) ( n x is   g iv e n   b y   E q u a tio n   1   as :                         1 2 0 ) 1 2 ( 1 2 0 2 ) 1 2 ( ) 2 ( ) ( N m m k N N m km N W m x W m x k X   ( 2 )     T h co m b in a tio n   o f   eq u a tio n   ( 3 )   , ( 4 ) ,   ( 5 )   an d   ( 6 )   g iv es t h f l o w   g r ap h   o f   DI T - FF T   as sh o wn   in   F ig u r e - 2 ( a) .   B y   t h p r o p er ty   o f   t w id d le  f ac to r   W N 2   = W N/2   an d   t h d ef i n itio n   o f   DFT   w ca n   w r ite  :     X ( k ) = F 1 ( k )       F 2 ( k )   ( 3 )     Her e   F 1 ( k )   is   N /2   p o in t D FT   o f   f 1 ( m )   an d   F 2 ( k )   is   N /2   p o in DFT   o f   f 2 ( m ).   As N/2   is   t h p er io d   o f   th s eq u en ce   f 1 ( m )   a n d   f 2 ( m )   s o   r ep la cin g   k   b y   ( k 2 )   in   E q u atio n   3     X ( k 2 ) = F 1 ( k ) -     2 ( )   ( 4 )     B y   t h p er io d ic  p r o p er ty   o f   D FT   an d   t w id d le  f ac to r .   Ag ai n   d ec i m ati n g   t h s eq u en ce   F 1 ( k )   an d   F 2 ( k )   w h a v e     G 11 ( 0 ) =   X ( 0 )   X ( 2 )                  ( 5 )       G 11 ( 1 ) =   X ( 0 )   −  X ( 2 )                   ( 6 )       3.   DE CIM AT I O I F RE Q U E NCY  F F T   A L G O RI T H M   Dec i m atio n   i n   f r eq u e n c y   F FT   alg o r it h m   i n d icate s   f ir s co m p u tatatio n   o f   FF T   an d   th e n   d i v id in g   th e   o u tp u s eq u e n ce   in   e v en   an d   o d d   p a r w h ic h   is   in   f r eq u en c y   d o m ai n   [ 4 ] .   T h f lo w   g r ap h   is   s h o w n   i n   Fig u r e   2 .   W can   d ev id eq u atio n   ( 1 )   in to   t w o   p ar ts   as f o llo w s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  6 ,   No .   3 N o v e m b er   2 0 1 7   :   1 8 6     1 9 0   188   1 2 / 1 2 0 ) ( ) ( ) ( N N n kn N N n kn N W n x W n x k X   ( 7 )     P u t n = n + N/2   , li m it  w i ll c h a n g as   W h en   n = N/   N/2 = n   + N/2     th er ef o r n = 0   W h en   n = N -   N - 1 = n   +N /2     th er ef o r e   n = N 1 N/ 2 =N /2 - 1   P u ttin g   th e s v a lu e s   in   s ec o n d   s u m m atio n   o f   ab o v eq .   w g et   :     1 2 0 ) 2 / ( 1 2 0 ) 2 ( ) ( ) ( N n N n k N N n kn N W N n x W n x k X     W h ich   ca n   b r ed u ce d   to     r N n n x r X 2 1 2 0 ) 1 ( ) ( [ ) 2 (   k N n n x k X ) 1 ( ) ( [ ) ( 1 2 0 kn N W N n x )] 2 (                                              ( 8 )     No w   i f   w d ec i m ate  t h eq u at i o n   ( 8 )   in to   ev en   an d   o d d   p ar ts   th en   w h a v e     r N n n x r X 2 1 2 0 ) 1 ( ) ( [ ) 2 ( rn N W N n x 2 )] 2 (                                           ( 9 )             ( a)     ( b )       ( c)   Fig u r 2 ( a) f lo w   g r ap h   o f   DI T - FF T ( b ) f lo w   g r ap h   o f   DI F - F FT ( c) f lo w   g r ap h   o f   G - tr a n s p o s FF T       B y   p u tti n g   k = 2 r +1   in   eq .   ( 4 . 5 . 1 6 )   w w il g et  o d d   n u m b er   o f   s eq u en c e                           1 2 1 2 0 ) 1 ( ) ( [ ) 1 2 ( r N n n x r X n r N W N n x ) 1 2 ( )] 2 (                            ( 1 0 )     W h er r   is   an   in te g er   w h ich   v a r ies f r o m   0   to   N 2 1     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Op timiz a tio n   o f R eso u r ce   Utiliz a tio n   o f F a s t F o u r ier Tr a n s fo r m   ( S u b h a s h   C h a n d r a   Ya d a v )   189   As  w k n o w   ( - 1 ) 2 r = 1   an d   ( - 1 ) 2 r +1 = - 1   P u ttin g   th e s v a lu e s   in   E q u a ti o n   9   an d   10,     1 2 0 ) ( [ ) 2 ( N n n x r X rn N W N n x 2 )] 2 (        ( 1 1 )     1 2 0 ) ( [ ) 1 2 ( N n n x r X n N rn N W W N n x 2 )] 2 (          ( 1 2 )     Fro m   E q u atio n   1 1   an d   1 2     g ( n ) = ( ) +     ( + 2 )     ( 1 3 )     h ( n ) = ( )   x   ( n + N 2 )   ]         ( 1 4 )     Ag ai n   d ec i m ati n g   th s eq u e n c g ( n )   an d   h ( n )   w h a v e:     X( k ) = g ( 0 )   g ( 1 )   ( 15 )   X ( k ) = g ( 0 )     g ( 1 )         4.   - T RA NSPO S E   AL G O RI T H M     G - T r an s p o s al g o r ith m   d ec r ea s es  t h n u m b er   o f   t w id d le  ac c ess es   b y   a n   as y m p to tic  f ac to r   o f   lo g   ( n )   [ 5 ] .   I d ea   b eh in d   th G - tr an s p o s alg o r ith m   i s   to   d ec r ea s th n u m b er   o f   t w id d le   tab le  ac ce s s es  b y   r estru ct u r in g   t h D FT .   T h G - T r an s p o s n et w o r k   ap p lies   t h e   t w id d le  f ac to r s   to   ea c h   s u b   n et w o r k s   i n p u t s .   I n   f ac t,  p er m u t in g   th G - T r an s p o s n et w o r k s   r o w s   in to   b it - r ev er s ed   o r d er   w h ile  leav in g   co n n ec ti v it y   u n c h a n g ed   ( t h at  i s ,   r ed r a w in g   th G - T r an s p o s n et w o r k   s u ch   t h at  t h in p u ts   g i v e n   i n   t h o r d er   x   ( 0 ) ,   x ( 2 ) ,   x ( 1 ) ,   an d   x ( 3 ) )   y ield s   t h DI T   n et w o r k .     T h u s ,   G - T r an s p o s i m p le m en tatio n   p r o d u ce s   t h s a m r esu lt s   i n   f i n ite  p r ec is io n   ar it h m etic  a s   a   DI T   im p le m e n tatio n   b u p r o c ess es  i n p u t/o u tp u d ata  lik DI F   i m p le m en ta tio n .   Fi g u r 2 ( c)   s h o w s   th f lo w   g r ap h   o f   G T   al g o r ith m .   G al g o r ith m   g iv a n   as y m p to tic  r ed u ctio n   i n   th n u m b er   o f   t w id d le  f ac to r   lo ad s   r eq u ir ed   f o r   f ir s s tag o f   d ec i m atio n   w h ic h   is   r esp o n s i b le  f o r   m i n i m izi n g   m e m o r y   s ize  as  co m p ar to   C o o le y - T u k e y   d ec i m atio n - in - t i m an d   d ec i m atio n - in - f r eq u e n c y   FF T .       5.   SI M UL AT I O R E S UL T AND  DIS CUSS I O N   W in v esti g ated   G - T r an s p o s e,   C o o ley - T u k e y   Dec i m a tio n - in - T i m an d   Dec i m atio n - in - Fre q u en c y   FF T   alg o r ith m s ,   W h a v tak en   f o llo w i n g   p ar a m eter   f o r   s i m u latio n   o f   all  al g o r ith m s   R a d ix = 2 ,   N = 4   ( 4   p o in t   FF T )   I n p u s eq u e n ce   x ( n ) = {2 ,   2 ,   4 ,   0 T w id d le  Facto r   W 4 0 = 1   an d   W 4 1 = -   j .   T h r esu lt  o f   s i m u latio n   in   MA T L A B   f o r   all  t h th r ee   al g o tith m   ar s a m an d   g iv e n   as  {8 ,   - 2 - 2 j ,   4 ,   - 2 +2 j }   as  s h o w n   in   Fig u r 3 ,   f o r   m e m o r y   o p ti m iza tio n   s i m u la ti o n   o f   all  T h r ee   al g o r ith m   is   s u cc es s f u ll y   d ev elo p ed   u s i n g   VHDL   o n   XI L I NX   Sp ar tan - 3   XC 3 S4 0 0 0 l - 4 f g 9 0 0   FP GA   d ev elo p m en b o ar d .   T h s i m u la tio n   r esu lt  f o r   all  th th r ee   alg o r ith m s   ar s a m e   w h ich   m ea n s   t h r es u lt  o f   FF T   is   n o a f f ec ted   b u t   th r eso u r ce   u tili za tio n   o f   all   th r ee   al g o r ith m s   is   d if f er e n t.  T ab le  1   s h o w s   th r e s o u r ce   u ti lizatio n   f o r   all  t h r ee   alg o r ith m s   o n   FP G A .   I n   t h c ase  o f   G - T r an s p o s alg o r ith m   t h er is   d ec r ea s in   n u m b er   o f   r eso u r ce   u tili za tio n .   I is   b ec au s th n u m b e r   o f   t w id d le  f ac to lo ad s   r eq u ir ed   f o r   th f ir s t s ta g o f   d ec i m a tio n   is   le s s   i n   G - t r an s p o s as c o m p ar to   DI T - FF T   an d   DI F - FF T .       T ab le  1 .   Sim u latio n   R e s u l ts   f o r   T h r ee   A l g o r ith m s   i n   XI L I N Sp ar tan - 3   X C 3 S4 0 0 0 l - 4 f g 9 0 0   FP GA   R e so u r c e   U t i l i z a t i o n   A l g o r i t h m   U se d   O c c u p i e d   S l i c e s   G - T r a n sp o se   3 0 4   D I T - FFT   3 5 2   D I F - FFT   3 5 2   T o t a l   N u mb e r   o f   4   i n p u t   L U T s   G - T r a n sp o se   6 0 8   D I T - FFT   7 0 4   D I F - FFT   7 0 4   N u mb e r   u se d   a s   a   r o u t e - t h r u   G - T r a n sp o se   3   D I T - FFT   6   D I F - FFT   6     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   V o l.  6 ,   No .   3 N o v e m b er   2 0 1 7   :   1 8 6     1 9 0   190       Fig u r 3 .   Si m u latio n   r esu l t o f   G T ,   DI T - FF T ,   DI F - FF T   alg o r ith m   ( al l   th r es u lt s   ar s a m e)       T h g r ap h   b elo w   s h o w s   t h r eso u r ce   u til izatio n   o f   FP GA   f o r   th r ee   alg o r ith m s                   ( a)   ( b )   ( c)   Fig u r 4 .   Dev ice  u t ilizatio n   co m p ar i s o n   f o r   th r ee   alg o r it h m   ( a)   Nu m b er   u s ed   as r o u te  th r u , ( b )   Occ u p ied   s lices  ( c)   T o tal  n u m b er   o f   4   in p u t L UT s       6.   CO NCLU SI O N   W in v e s ti g ate  t h r ee   al g o r ith m s   o n   FP G A   u s in g   VH D L   a n d   o b s er v ed   th a t h n u m b er   o f   co m p le x   ad d itio n   an d   m u l tip licatio n   ar s a m e   f o r   all  th e   th r ee   al g o r i th m   b u t   th e   r eso u r ce   u tili za t io n   o f   th FP G A   f o r   G - T r an s p o s alg o r it h m   i s   les s   as c o m p ar to   DI T - FF T   an d   DI F - F FT   w h ic h   lead s   to   r ed u ce   th m e m o r y .       RE F E R E NC E S   [1 ]   V re tb la d ,   A n d e rs,  F o u rier A n a ly s is  a n d   Its  A p p l ica ti o n s. S p ri n g e r, 2 0 0 3   [2 ]   P r o a k is,   J.  G .     Dig it a S ig n a P ro c e ss in g ,   P ri n c ip les ,   a lg o rit h m s an d   a p p li c a ti o n s”   P re n ti c e   Ha ll ,   I n c . ,   1 9 9 6 .   [3 ]   J.  W .   Co o ley   a n d   J.  W .   T u k e y ,   A n   a lg o rit h m   f o th e   m a c h in e   c o m p u tatio n   o f   c o m p lex   F o u rier  se ries ,   M a th .   Co mp u t . ,   v o l .   1 9 ,   p p .   2 9 7 3 0 1 , 1 9 6 5 .   [4 ]   S .   S a li v a h n a n ,   A .   v a ll a v ra j,   Dig it a S ig n a l   Pro c e ss in g   T a ta M c Gra w - Hill   2 0 0 0 .   [5 ]   Ke v in   J.  Bo w e rs,  Ro ss   A .   L ip p e rt,   Ro n   O.  Dr o a n d   Da v id   E.   S h a w   Imp ro v e d   T wid d le  Acc e ss   fo Fa st  F o u rie r   T ra n sf o rm s   IEE tran sa c ti o n s o n   sig n a p r o c e ss in g ,   v o l.   5 8 ,   n o .   3 , p p .   1 1 2 2 - 1 1 3 0 ,   M a rc h   2 0 1 0 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.