1 xilinx FFT IP介紹

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

1)正向和反向復數(shù)FFT，運行時間可配置。

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：

°無標度（全精度）定點

°定標定點

°浮點數(shù)

6)定點或浮點接口

7)蝴蝶后舍入或截斷

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

9)可選的運行時可配置轉(zhuǎn)換點大小

10)可擴展的定點核心的運行時可配置擴展時間表

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)換時間之間進行權(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接口帶來了標準化，并增強了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)控制信號以及事件信號之外，到內(nèi)核的所有輸入和輸出都通過AXI4-Stream通道進行傳輸。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，其中有效負載為TDATA，TUSER和TLAST。內(nèi)核對包含在TDATA字段中的操作數(shù)進行運算，并將結(jié)果輸出到輸出通道的TDATA字段中。

圖2 AXI4-Stream時序圖

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，而TREADY由接收器（從屬）驅(qū)動。TVALID指示有效負載字段（TDATA，TUSER和TLAST）中的值有效。TREADY表示從機已準備好接收數(shù)據(jù)。當一個周期中的TVALID和TREADY均為TRUE時，將發(fā)生傳輸。主機和從機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，FWD / INV，NFFT和SCALE_SCH。

NFFT(變換的點大小)：NFFT可以是最大變換的大小或任何較小的點大小。例如，1024點FFT可以計算點大小1024、512、256等。NFFT的值為log2（點大小）。該字段僅在運行時可配置的轉(zhuǎn)換點大小時出現(xiàn)。

CP_LEN(循環(huán)前綴長度)：從轉(zhuǎn)換結(jié)束起，在輸出整個轉(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FWD_INV = 1時，將計算前向變換。如果FWD_INV = 0，則計算逆變換。

SCALE_SCH伸縮時間表：對于突發(fā)I / O架構(gòu)，伸縮時間表由每個階段的兩位指定，第一階段的伸縮由兩個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的示例縮放計劃是[1 0 2 3 2]（從最后階段到第一階段排序）。對于N = 128，Radix-2 Burst I / O或Radix-2 Lite Burst I / O，一個可能的擴展時間表是[1 1 1 1 0 1 2]（從最后階段到第一階段排序）。對于流水線I / O架構(gòu)，從兩個LSB開始，每兩對Radix-2級用兩位指定擴展時間表。例如，N = 256的縮放時間表可以是[2 2 2 3]。當N不是4的冪時，最后一級的最大位增長為一位。例如，對于N = 512，[0 2 2 2 2]或[1 2 2 2 2]是有效的縮放時間表，但是[2 2 2 2 2]無效。對于此變換長度，SCALE_SCH的兩個MSB只能為00或01。此字段僅可用于縮放算法（非縮放，塊浮點或單精度浮點）。

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，具有循環(huán)前綴插入和3個FFT通道。內(nèi)核需要配置為執(zhí)行8點變換，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位的向量長度。由于所有AXI通道必須與字節(jié)邊界對齊，因此需要5個填充位，從而s_axis_config_tdata的長度為24位。

3）相關(guān)標志信號

3 xilinx FFT IP的仿真測試

FFT的長度選擇8點，x輸入序列為x=[1,2,3,4,5,6,7,8];

Matlab驗證：

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

Y的實部輸出為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的計算結(jié)果相比實部一樣，除虛部因為數(shù)據(jù)位的取舍問題以外，正數(shù)和負數(shù)部分順序相反。