Xilinx快速傅立葉變換接口及仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 xilinx FFT IP介紹

Xilinx快速傅立葉變換（FFT IP）內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了Cooley-Tukey FFT算法，這是一種計(jì)算有效的方法，用于計(jì)算離散傅立葉變換（DFT）。

1)正向和反向復(fù)數(shù)FFT，運(yùn)行時(shí)間可配置。

2)變換大小N = 2m，m = 3 – 16

3)數(shù)據(jù)采樣精度bx = 8 – 34

4)相位系數(shù)精度bw = 8 – 34

5)算術(shù)類型：

• °無標(biāo)度（全精度）定點(diǎn)
• °定標(biāo)定點(diǎn)
• °浮點(diǎn)數(shù)

6)定點(diǎn)或浮點(diǎn)接口

7)蝴蝶后舍入或截?cái)?/p>

8)Block RAM或分布式RAM，用于數(shù)據(jù)和相位因子存儲(chǔ)

9)可選的運(yùn)行時(shí)可配置轉(zhuǎn)換點(diǎn)大小

10)可擴(kuò)展的定點(diǎn)核心的運(yùn)行時(shí)可配置擴(kuò)展時(shí)間表

11)位/數(shù)字反轉(zhuǎn)或自然輸出順序

12)用于數(shù)字通信系統(tǒng)的可選循環(huán)前綴插入

13)四種架構(gòu)在內(nèi)核大小和轉(zhuǎn)換時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡

14)位精確的C模型和用于系統(tǒng)建模的MEX功能可供下載

15)有四種運(yùn)算架構(gòu)可供選擇

• .Pipelined Streaming I/O
• .Radix-4 Burst I/O
• .Radix-2 Burst I/O
• .Radix-2 Lite Burst I/O

2 FFT IP接口介紹

圖1 xilinx FFT IP

1）AXI4-Stream 介紹

AXI4-Stream接口帶來了標(biāo)準(zhǔn)化，并增強(qiáng)了Xilinx IP LogiCORE解決方案的互操作性。除了諸如aclk，acclken和aresetn之類的常規(guī)控制信號(hào)以及事件信號(hào)之外，到內(nèi)核的所有輸入和輸出都通過AXI4-Stream通道進(jìn)行傳輸。通道始終由TVALID和TDATA以及必填字段和可選字段（如TREADY，TUSER和TLAST）組成。TVALID和TREADY一起執(zhí)行握手以傳輸消息，其中有效負(fù)載為TDATA，TUSER和TLAST。內(nèi)核對(duì)包含在TDATA字段中的操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果輸出到輸出通道的TDATA字段中。

圖2 AXI4-Stream時(shí)序圖

圖2顯示了在AXI4-Stream通道中的數(shù)據(jù)傳輸。TVALID由通道的源（主）端驅(qū)動(dòng)，而TREADY由接收器（從屬）驅(qū)動(dòng)。TVALID指示有效負(fù)載字段（TDATA，TUSER和TLAST）中的值有效。TREADY表示從機(jī)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)周期中的TVALID和TREADY均為TRUE時(shí)，將發(fā)生傳輸。主機(jī)和從機(jī)分別為下一次傳輸分別設(shè)置TVALID和TREADY。

2）s_axis_config_tdata接口介紹

s_axis_config_tdata接口攜帶配置信息CP_LEN，F(xiàn)WD / INV，NFFT和SCALE_SCH。

NFFT(變換的點(diǎn)大小)：NFFT可以是最大變換的大小或任何較小的點(diǎn)大小。例如，1024點(diǎn)FFT可以計(jì)算點(diǎn)大小1024、512、256等。NFFT的值為log2（點(diǎn)大?。Ｔ撟侄蝺H在運(yùn)行時(shí)可配置的轉(zhuǎn)換點(diǎn)大小時(shí)出現(xiàn)。

CP_LEN(循環(huán)前綴長(zhǎng)度)：從轉(zhuǎn)換結(jié)束起，在輸出整個(gè)轉(zhuǎn)換之前，最初作為循環(huán)前綴輸出的樣本數(shù)。CP_LEN可以是小于點(diǎn)大小的從零到一的任何數(shù)字。該字段僅在循環(huán)前綴插入時(shí)出現(xiàn)。

FWD_INV:指示是執(zhí)行前向FFT變換還是逆向FFT變換(IFFT)。當(dāng)FWD_INV = 1時(shí)，將計(jì)算前向變換。如果FWD_INV = 0，則計(jì)算逆變換。

SCALE_SCH伸縮時(shí)間表：對(duì)于突發(fā)I / O架構(gòu)，伸縮時(shí)間表由每個(gè)階段的兩位指定，第一階段的伸縮由兩個(gè)LSB給出?？s放比例可以指定為3、2、1或0，代表要移位的位數(shù)。N = 1024，Radix-4 Burst I / O的示例縮放計(jì)劃是[1 0 2 3 2]（從最后階段到第一階段排序）。對(duì)于N = 128，Radix-2 Burst I / O或Radix-2 Lite Burst I / O，一個(gè)可能的擴(kuò)展時(shí)間表是[1 1 1 1 0 1 2]（從最后階段到第一階段排序）。對(duì)于流水線I / O架構(gòu)，從兩個(gè)LSB開始，每?jī)蓪?duì)Radix-2級(jí)用兩位指定擴(kuò)展時(shí)間表。例如，N = 256的縮放時(shí)間表可以是[2 2 2 3]。當(dāng)N不是4的冪時(shí)，最后一級(jí)的最大位增長(zhǎng)為一位。例如，對(duì)于N = 512，[0 2 2 2 2]或[1 2 2 2 2]是有效的縮放時(shí)間表，但是[2 2 2 2 2]無效。對(duì)于此變換長(zhǎng)度，SCALE_SCH的兩個(gè)MSB只能為00或01。此字段僅可用于縮放算法（非縮放，塊浮點(diǎn)或單精度浮點(diǎn)）。

s_axis_config_tdata接口格式：

1.（可選）NFFT加填充

2.（可選）CP_LEN加填充

3.前轉(zhuǎn)/后轉(zhuǎn)

4.（可選）SCALE_SCH

舉例：

內(nèi)核具有可配置的轉(zhuǎn)換大小，最大大小為128點(diǎn)，具有循環(huán)前綴插入和3個(gè)FFT通道。內(nèi)核需要配置為執(zhí)行8點(diǎn)變換，并在通道0和1上執(zhí)行逆變換，并在通道2上執(zhí)行前向變換。需要4點(diǎn)循環(huán)前綴。這些字段采用表中的值。

這給出了19位的向量長(zhǎng)度。由于所有AXI通道必須與字節(jié)邊界對(duì)齊，因此需要5個(gè)填充位，從而s_axis_config_tdata的長(zhǎng)度為24位。

3）相關(guān)標(biāo)志信號(hào)

3 xilinx FFT IP的仿真測(cè)試

FFT的長(zhǎng)度選擇8點(diǎn)，x輸入序列為x=[1,2,3,4,5,6,7,8];

Matlab驗(yàn)證：

clear all
close all
clc
 
x = [1,2,3,4,5,6,7,8];
y =fft(x,8);
realy=real(y);
imagy=imag(y);

Y的實(shí)部輸出為realy=[36,-4,-4,-4,-4,-4,-4,-4];

Y的虛部輸出為imagy=[0,9.6569,4,1.6569,0,-1.6569,-4,-9.6569];

FPGA仿真驗(yàn)證：

1）IP的設(shè)置

2）仿真頂層

`timescale 1ns / 1ps
module tb_fft_top(
 
    );
    reg aclk;                        
    reg [7 : 0] s_axis_config_tdata;
    reg         s_axis_config_tvalid;        
    wire        s_axis_config_tready;       
    wire [31 : 0] s_axis_data_tdata;  
    reg         s_axis_data_tvalid;          
    wire        s_axis_data_tready;         
    reg         s_axis_data_tlast;           
    wire [31 : 0] m_axis_data_tdata;
    wire        m_axis_data_tvalid;         
    reg         m_axis_data_tready;  
    wire        m_axis_data_tlast;
    reg [15:0] real_data;
    reg [15:0] imag_data;
    wire [15:0] real_dataout;
    wire [15:0] imag_dataout;
    reg [9:0]  cnt;
    assign s_axis_data_tdata={real_data,imag_data};
    assign real_dataout = m_axis_data_tdata[31:16];
    assign imag_dataout = m_axis_data_tdata[15:0];
    initial begin
      aclk = 0;
      s_axis_config_tdata=8'b0;
      s_axis_config_tvalid=1'b0;
      s_axis_data_tvalid=1'b0;
      s_axis_data_tlast=1'b0;
      real_data=16'd0;
      imag_data=16'd0;
      cnt = 0;
      m_axis_data_tready=1'b1;
      #1000;
      s_axis_config_tdata=8'b0000_0001;
      s_axis_config_tvalid=1'b1;
      #10;
      s_axis_config_tdata=8'b0000_0000;
      s_axis_config_tvalid=1'b0;
      #1000;
      repeat(8)begin
        s_axis_data_tvalid=1'b1;
        real_data=real_data+16'd1;
        cnt=cnt+1;
        if(cnt==8) s_axis_data_tlast=1'b1;
        #10;
      end
      s_axis_data_tvalid=1'b0;
      s_axis_data_tlast=1'b0;
      real_data=16'd0;
      #1000;
      $stop;
    end
    always #(5) aclk= ~aclk;
fft_top Ufft_top(
      .aclk(aclk),                                                // input wire aclk
      .s_axis_config_tdata(s_axis_config_tdata),                  // input wire [7 : 0] s_axis_config_tdata
      .s_axis_config_tvalid(s_axis_config_tvalid),                // input wire s_axis_config_tvalid
      .s_axis_config_tready(s_axis_config_tready),                // output wire s_axis_config_tready
      .s_axis_data_tdata(s_axis_data_tdata),                      // input wire [31 : 0] s_axis_data_tdata
      .s_axis_data_tvalid(s_axis_data_tvalid),                    // input wire s_axis_data_tvalid
      .s_axis_data_tready(s_axis_data_tready),                    // output wire s_axis_data_tready
      .s_axis_data_tlast(s_axis_data_tlast),                      // input wire s_axis_data_tlast
      .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata),                      // output wire [31 : 0] m_axis_data_tdata
      .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),                    // output wire m_axis_data_tvalid
      .m_axis_data_tready(m_axis_data_tready),                    // input wire m_axis_data_tready
      .m_axis_data_tlast(m_axis_data_tlast)                      // output wire m_axis_data_tlast       
          );
endmodule

3）仿真結(jié)果

Vivado最終的仿真結(jié)果為

Real=[36,-4,-4,-4,-4,-4,-4,-4];

Imag=[0,-10,-4,-2,0,1,4,9];

與matlab的計(jì)算結(jié)果相比實(shí)部一樣，除虛部因?yàn)閿?shù)據(jù)位的取舍問題以外，正數(shù)和負(fù)數(shù)部分順序相反。

編輯：hfy