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Vivado中FFT IP核的使用

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 FFT(快速傅里叶变换)作为数字信号处理的核心算法具有重要的研究价值,可应用于傅里叶变换所能涉及的任何领域,如图像处理、音频编码、频谱分析、雷达信号脉冲压缩等数字信号处理领域。FFT的鲜明特征之一是计算离散傅里叶变换(DFT)的高效算法,把计算N点DFT的乘法运算量从N2次降低到N/2*log2N次。而采用FPGA实现FFT的缘由在于:FPGA具有并行处理、流水线处理、易编程、片上资源丰富等方面特点,用于实现高速、大点数的FFT优势明显。

  本设计使用的软件编程环境是Xilinx公司的Vivado 2018.3,笔者将从FFT IP核的创建,模块文件的编写,波形仿真等方面来具体讲解FFT在Xilinx FPGA上的实现。

  1.FFT IP核的创建

  (1)在Vivado软件主界面,打开IP Catalog,在搜索框内输入FFT,然后找到Digital Signal Processing->Transforms->FFTs目录下的Fast Fourier Transform,双击进入配置界面。

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  (2)进入到配置界面,左边是IP核的接口图、实现的一些细节信息和FFT的延迟,右边是Configuration、Implementation和Detailed Implementation三个标签卡。

  Vivado的FFT IP核支持多通道输入(Number of Channels)和实时更改FFT的点数(Run Time Configurable Transform Length)。Configuration标签下可设置FFT的点数(Transform Length)和工作时钟(Target Clock Frequency),以及选择一种FFT结构。FFT的结构包括流水线Streaming、基4 Burst、基2 Burst和轻量级基2 Burst,它们的计算速度和消耗的资源依次减少,可根据工程实际进行选择。

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  Implementation标签卡下可设置FFT的数据格式为定点Fixed Point或浮点Float Point;输出截位方式选择:不截位(Unscaled),截位(Scaled),块浮点(Block Floating Point);设置输入数据的位宽和相位因子位宽。还有一些可选的附加信号,如时钟使能(ACLKEN),复位信号(ARESETn,低有效)等。“Output Ordering”用以选择FFT计算结果以自然顺序(Nature Order)或位倒序(Bit/Digit Reversed Order)输出。

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  Detailed Implementation里可设置优化方式、存储的类型。存储类型分为两种:Block RAM(块RAM)和Distributed RAM(分布式RAM);优化方式可选择资源最优或者速度最优。

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  (3)配置完成后,可在Latency下看到计算fft所需的时间,可以以此衡量设计是否满足实时处理的要求。如不满足,可选择性能更好的FFT结构或选择可以提高运算速度的优化选项

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  2.模块文件的编写

  IP核工作必须要满足一定的时序要求,所以需要将数据按照一定时序送入IP核。IP核交互是用AXI-Stream接口,关于AXI-Stream接口的时序可自行查一些相关资料,这里不做详细介绍。简言之,AXI-Stream接口分为主机(master)和从机(slave),主机为发起端,从机为响应端,只有ready信号和valid信号同时为高时数据才能被有效写入或读出。举个例子,主机检测从机发出的ready信号,当为高时将valid信号拉高即可从从机读出或向从机写入数据。

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  利用modelsim进行功能仿真时我们将仿真时长设置为20us。为了直观验证fft是否正确,可将输入的时域数据的实部和做完fft后信号功率值的数据格式均设置为anolog(模拟),如下图,可以看到fft后的功率谱为两根独立的谱线,分别代表50Hz和200Hz两个频率点,和matlab仿真结果一致。

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  对于该IP核更复杂的应用,大家可以阅读Xilinx官方提供的文档,根据自己的实际需要进行设计。

  更多信息可以来这里获取==>>电子技术应用-AET<<

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