1 xilinx FFT IP介紹

Xilinx快速傅立葉變換（FFT IP）內核實現了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FFT，運行時間可配置。

2)變換大小N = 2m，m = 3 – 16

3)數據采樣精度bx = 8 – 34

4)相位系數精度bw = 8 – 34

5)算術類型：

• °無標度（全精度）定點
• °定標定點
• °浮點數

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，用于數據和相位因子存儲

9)可選的運行時可配置轉換點大小

10)可擴展的定點核心的運行時可配置擴展時間表

11)位/數字反轉或自然輸出順序

12)用于數字通信系統的可選循環前綴插入

13)四種架構在內核大小和轉換時間之間進行權衡

14)位精確的C模型和用于系統建模的MEX功能可供下載

15)有四種運算架構可供選擇

• .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之類的常規控制信號以及事件信號之外，到內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一起執行握手以傳輸消息，其中有效負載為TDATA，TUSER和TLAST。內核對包含在TDATA字段中的操作數進行運算，并將結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通道中的數據傳輸。TVALID由通道的源（主）端驅動，而TREADY由接收器（從屬）驅動。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據。當一個周期中的TVALID和TREADY均為TRUE時，將發生傳輸。主機和從機分別為下一次傳輸分別設置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換點大小時出現。

CP_LEN(循環前綴長度)：從轉換結束起，在輸出整個轉換之前，最初作為循環前綴輸出的樣本數。CP_LEN可以是小于點大小的從零到一的任何數字。該字段僅在循環前綴插入時出現。

FWD_INV:指示是執行前向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I / O架構，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。縮放比例可以指定為3、2、1或0，代表要移位的位數。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，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/后轉

4.（可選）SCALE_SCH

舉例：

內核具有可配置的轉換大小，最大大小為128點，具有循環前綴插入和3個FFT通道。內核需要配置為執行8點變換，并在通道0和1上執行逆變換，并在通道2上執行前向變換。需要4點循環前綴。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 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）仿真結果

Vivado最終的仿真結果為

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

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

與matlab的計算結果相比實部一樣，除虛部因為數據位的取舍問題以外，正數和負數部分順序相反。

編輯：hfy