Xilinx FFT IP核的使用

说明：通过对比Matlab实践来运用Xilinx FFT IP核实现复数的FFT。
代码下载：Xilinx FFT IP核 Verilog代码实现
工程下载：FFT工程

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一、Fast Fourier Transform IP核介绍

主要包括配置接口、时域数据输入接口、时钟复位接口、频域数据输出接口、状态接口。

IP核主要端口介绍：

名称	方向	说明
aclk	输入	模块工作时钟，上升沿有效
aclken	输入	时钟使能信号，高电平有效，低电平时内核暂停工作，可通过此信号降低内核运行的最大时钟频率
aresetn	输入	低电平同步复位信号，优先级高于aclken，低电平至少持续两个时钟周期
配置：
s_axis_config_tvalid	输入	配置通道的 tvalid，由外部主机断言以表示它能够提供数据
s_axis_config_tready	输出	配置通道的 tready，由内核断言以表示它已准备好接收数据
s_axis_config_tdata	输入	配置通道的tdata，携带配置信息，NFFT、FWD/INV、CP_LEN和SCALE_SCH
输入数据：
s_axis_data_tvalid	输入	输入数据通道tvalid，由外部主机断言以表示它能够提供数据
s_axis_data_tready	输出	输入数据通道tready，由内核断言以表示它能够接收数据
s_axis_data_tdata	输入	输入数据通道tdara，由外部主机提供待处理的数据
s_axis_data_tlast	输入	输入数据通道tdara，由外部主机断言表示最后一组数据。 只在生成事件event_tlast_unexpected 和 event_tlast_missing时，内核才使用它
输出数据：
m_axis_data_tvalid	输出	输出数据通道tvalid，由内核断言表示它能够提供数据
m_axis_data_tready	输入	输出数据通道tready，由外部丛机断言表示它能够接收数据
m_axis_data_tdata	输出	输出数据通道tdata，由内核提供FFT后的数据
m_axis_data_tuser	输出	输出数据通道tuser，由内核提供XK_INDEX，OVFLO，BLK_EXP信息
m_axis_data_tlast	输出	数据数据通道tlast，由内核断言表示最后一个输出数据
…

s_axis_data_tdata 输入数据格式：
根据你的配置比如1024个点，每个点为32bit，高16bit为虚部，低16bit为实部。

s_axis_config_tdata 配置数据格式： ：

m_axis_data_tdata 输出数据格式： ：

根据你的配置比如1024个点，每个点为32bit，高16bit为虚部，低16bit为实部。

IP核配置

①：通道数，1~12。
②：变换点数，8~65536。
③：工作时钟频率，1~1000。
④：数据比特率。
⑤：根据时钟频率与比特率自动选择。
⑥：流水线IO，允许连续数据处理，仅当使用单通道时，流水线IO可选。
⑦：碟4，突发IO，使用迭代方法分别加载和处理数据。它的资源消耗比流水线架构小，但转换时间更长
一点不同：蝶4架构的变换点数为64 ~ 65536，其它架构点数为 8 ~ 65536。
⑧：碟2，突发IO，使用与 Radix-4 相同的迭代方法，但蝶形运算单元更小。
它的资源消耗比 Radix-4 架构的尺寸更小，但转换时间更长。
⑨：碟2 -Lite，突发IO，基于 Radix-2 架构，此变体使用分时复用方法实现蝶形运算单元，
以实现更少的资源消耗，但代价是转换时间更长。
⑩：运行期间可配置变换点数。

四种FFT架构的资源消耗与吞吐量的关系：

①：数据格式，定点、浮点。
②：缩放选项，。
③：数据省入模式。
④：输入数据宽度。
⑤：相位因子宽度。
⑥：输出位序。
⑦：输出序号。
⑧：数据溢出标志。

①：数据。
②：相位因子。
③：重排序缓冲。
④：复数乘法器。
⑤：蝶形运算单元。

二、FFT IP核的使用

1、1KHz采样率、1024点FFT

Matlab产生原实信号 s，将1024点的数据写入FPGA的ROM
采样率为1000Hz，信号为100Hz、200Hz、300Hz叠加，FFT点数为1024。

clc
clear all;
row=3;
column=1;
N=1024;
fs=1000;                    %采样间隔为1/1000
t=(1:1024)/fs;               %时间轴
f0=100;                     %载频频率
f1=200;                     %载频频率
f2=300;                     %载频频率
y1=100*exp(1i*2*pi*f0*t);   
y2=100*exp(1i*2*pi*f1*t);
y3=100*exp(1i*2*pi*f2*t);
y=y1+y2+y3;                 %信号产生
real_y = int32(real(y));    %实部
imag_y = int32(imag(y));    %虚部
a=[real_y;imag_y];
s = int32(bitshift(imag_y,16)+real_y);%将实部和虚部拼接为32bit(实部16bit+虚部16bit)
s = s';                     %此数据输出到FPGA

%绘制原信号
subplot(row,column,1);
plot(t,y);
title("时域");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;
%FFT
f=(0:N-1)*(fs/N);
fft_y=fft(y,N);             %FFT
abs_fft_y=abs(fft(y,N));    %FFT取绝对值

subplot(row,column,2);      %FFT波形
plot(f,fft_y);
title("FFT");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;

subplot(row,column,3);      %FFT取绝对值波形
plot(f,abs_fft_y);
title("FFT取绝对值");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;

数据通过coe文件写入ROM:

FPGA端IP核的配置：



将时域数据写入ROM，通过FFT IP核后得到以下结果：

结果展现：
FPGA FFT波形，第三通道是时域数据，第五通道是FFT，第六通道是FFT取绝对值的波形。

采样率为1000Hz，1024个点。

观察下图中f变量（可以表示频率的横轴），三个峰值对应的频率为100Hz，200Hz，300Hz。

Verilog代码：
Xilinx FFT IP核 Verilog代码实现

2、2.5GHz采样率、8192点FFT

Matlab产生原实信号 s，将8192点的数据写入FPGA的ROM

采样率为2.5GHz，信号为100Hz、350Hz、500Hz叠加，FFT点数为1024。

clc
clear all;
close all;
row=3;
column=1;
N=8192;
fs=2.5e9;                    %采样间隔为1/1000
t=(1:N)/fs;               %时间轴
f0=100e6;                     %载频频率
f1=350e6;                     %载频频率
f2=500e6;                     %载频频率
y1=20*exp(1i*2*pi*f0*t);   
y2=20*exp(1i*2*pi*f1*t);
y3=20*exp(1i*2*pi*f2*t);
y=y1+y2+y3;                 %信号产生
real_y = int32(real(y));    %实部
imag_y = int32(imag(y));    %虚部
a=[real_y;imag_y];
s = int32(bitshift(imag_y,16)+real_y);%将实部和虚部拼接为32bit(实部16bit+虚部16bit)
s = s';                     %此数据输出到FPGA

%绘制原信号
subplot(row,column,1);
plot(t,y);
title("时域");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;
%FFT
f=(0:N-1)*(fs/N);
fft_y=fft(y,N);             %FFT
abs_fft_y=abs(fft(y,N));    %FFT取绝对值

subplot(row,column,2);      %FFT波形
plot(f,fft_y);
title("FFT");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;

subplot(row,column,3);      %FFT取绝对值波形
plot(f,abs_fft_y);
title("FFT取绝对值");
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on;

将时域数据写入ROM，通过FFT IP核后得到以下结果：

结果展示：第四通道是时域数据，第六通道是FFT取绝对值的波形。

观察图中f变量（可以表示频率的横轴），三个峰值对应的频率为100Hz，350Hz，500Hz。

Verilog代码：
Xilinx FFT IP核 Verilog代码实现