Vivado Xilinx FFT IP核v9.0使用说明

一 傅里叶变换FFT

想必大家对傅里叶老人家都不陌生了，网上也有这方面的很多资料。通过FFT将时域信号转换到频域，从而对一些在时域上难以分析的信号在频域上进行处理。在这里，我们需要注意采样频率、FFT采样点数这两个参数：

根据奈奎斯特采样定理，采样频率需大于信号频率的两倍；

FFT采样点数，代表对信号在频域的采样数；

采样频率Fs和采样点数N决定了信号的频域分辨力，即分辨力=Fs/N，即N越大，频域分辨力越好，反之频域分辨力越差。

二 Xilinx FFT v9.0

1.输入输出端口

如上图所示，左侧的端口均为输入端口，右侧端口均为输出端口，其中，S_AXIS_DATA为输入数据端口，我们要进行FFT的数据需要通过这根线输入给IP核；S_AXIS_CONFIG为输入配置端口，这个信号包含了对数据进行FFT还是IFFT、缩放因子、FFT变换点数等信息；FFT变换后的数据从M_AXIS_DATA端口输出。这些端口的具体功能可以参见pg109手册。

2.Vivado中IP核的配置

打开Vivado软件，我的版本是2018.04

找到FFT IP核后，双击，弹出如下对话框：

第二页implementation

第三页

配置完成后，我们可以点击左侧的implementation detail选项卡，看到IP核的具体信息：

其中包含了S_AXIS_DATA_TDATA、S_AXIS_CONFIG_TDATA以及M_AXIS_DATA_TDATA的数据格式，我们需要加以关注：

S_AXIS_DATA_TDATA：共32位，其中低16位为输入数据的实部，高16位为输入数据的虚部（但在实际使用中，高16位才是实部，低16位是虚部，如果有大神明白是咋回事儿，欢迎留言）

S_AXIS_CONFIG_TDATA：最低位第0位，决定对数据进行FFT还是IFFT，置1时FFT，清零时IIFT，由于要进行补零操作，因此在最终写入S_AXIS_CONFIG_TDATA时，除了最低位以外，还要再补七个零，补到8位

M_AXIS_DATA_TDATA：48位数据输出，低24位为实部，高24位为虚部

3.软件仿真

IP核配置完成后，下面开始编写我们的TestBench文件。
我们通过matlab对F(t) = 200 + 100cos(2pi10t) + 100cos(2pi30t)这个信号以Fs = 100HZ进行采样，采样点数N = 128，采样完成后，将数据转换为16位二进制，并存入txt文件中。matlab程序如下：

clear

Fs=100;                         %采样率1ns一个点
%t=0:1/Fs:63/Fs;                 %数据时长：64个采样周期
N = 128;
n = 1:N;
t = n/Fs;
% 生成测试信号
f1 = 10;                   %
f2 = 30;                     %
s1 = cos(2*pi*f1*t);    
s2 = cos(2*pi*f2*t);
signalN = 2 + s1 + s2 ;
data_before_fft = 100*signalN;  %系数放大100倍


fp = fopen('D:ynq_Coredata_before_fft.txt','w');
for i = 1:N
   if(data_before_fft(i)>=0)
       temp= dec2bin(data_before_fft(i),16);
   else
       temp= dec2bin(data_before_fft(i)+2^16+1, 16);
   end
    for j=1:16
        fprintf(fp,'%s',temp(j));
    end
    fprintf(fp,'
');
end
fclose(fp);

y = fft(data_before_fft,N);
y = abs(y);
f = n*Fs/N;
plot(f,y);

程序执行结束后，我们可以看到在指定目录下新建了一个txt文件，内容如下所示：

由于我们在配置IP核的时候配置了数据位宽为16位，因此我们存入的数据也要设置为16位的。采样点数N=128，因此一共有128个这样的数据。

得到采样数据后，在vivado中新建一个sim文件：

TB文件代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
module FFT_test2();

reg clk;
reg rst_n;
reg signed [15:0] Time_data_I[127:0];
reg data_finish_flag;

wire              fft_s_config_tready;

reg signed [31:0] fft_s_data_tdata;
reg               fft_s_data_tvalid;
wire              fft_s_data_tready;
reg               fft_s_data_tlast;

wire signed [47:0] fft_m_data_tdata;
wire signed [7:0]  fft_m_data_tuser;
wire               fft_m_data_tvalid;
reg                fft_m_data_tready;
wire               fft_m_data_tlast;

wire          fft_event_frame_started;
wire          fft_event_tlast_unexpected;
wire          fft_event_tlast_missing;
wire          fft_event_status_channel_halt;
wire          fft_event_data_in_channel_halt;
wire          fft_event_data_out_channel_halt;

reg [7:0]     count;

reg signed [23:0] fft_i_out;
reg signed [23:0] fft_q_out;
reg signed [47:0] fft_abs;

initial begin
    clk = 1'b1;
    rst_n = 1'b0;
    fft_m_data_tready = 1'b1;
    $readmemb("D:/Zynq_Core/data_before_fft.txt",Time_data_I);
end

always #5 clk = ~clk;

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        fft_s_data_tvalid <= 1'b0;
        fft_s_data_tdata  <= 32'd0;
        fft_s_data_tlast  <= 1'b0;
        data_finish_flag  <= 1'b0;
        count <= 8'd0;
        rst_n = 1'b1;
    end
    else if (fft_s_data_tready) begin 
        if(count == 8'd127) begin
            fft_s_data_tvalid <= 1'b1;
            fft_s_data_tlast  <= 1'b1;
            fft_s_data_tdata  <= {Time_data_I[count],16'd0};
            count <= 8'd0;
            data_finish_flag <= 1'b1;
        end
        else begin
            fft_s_data_tvalid <= 1'b1;
            fft_s_data_tlast  <= 1'b0;
            fft_s_data_tdata  <= {Time_data_I[count],16'd0};   
            count <= count + 1'b1;
        end
    end
    else begin
        fft_s_data_tvalid <= 1'b0;
        fft_s_data_tlast  <= 1'b0;
        fft_s_data_tdata <= fft_s_data_tdata;
    end
end

always @ (posedge clk) begin
    if(fft_m_data_tvalid) begin
        fft_i_out <= fft_m_data_tdata[23:0];
        fft_q_out <= fft_m_data_tdata[47:24];
    end
end

always @ (posedge clk) begin
    fft_abs <= $signed(fft_i_out)* $signed(fft_i_out)+ $signed(fft_q_out)* $signed(fft_q_out);
end


//fft ip核例化
xfft_0 u_fft(
    .aclk(clk),                                                // 时钟信号（input）
    .aresetn(rst_n),                                           // 复位信号，低有效（input）
    .s_axis_config_tdata(8'd1),                                // ip核设置参数内容，为1时做FFT运算，为0时做IFFT运算（input）
    .s_axis_config_tvalid(1'b1),                               // ip核配置输入有效，可直接设置为1（input）
    .s_axis_config_tready(fft_s_config_tready),                // output wire s_axis_config_tready
    //作为接收时域数据时是从设备
    .s_axis_data_tdata(fft_s_data_tdata),                      // 把时域信号往FFT IP核传输的数据通道,[31:16]为虚部，[15:0]为实部（input，主->从）
    .s_axis_data_tvalid(fft_s_data_tvalid),                    // 表示主设备正在驱动一个有效的传输（input，主->从）
    .s_axis_data_tready(fft_s_data_tready),                    // 表示从设备已经准备好接收一次数据传输（output，从->主），当tvalid和tready同时为高时，启动数据传输
    .s_axis_data_tlast(fft_s_data_tlast),                      // 主设备向从设备发送传输结束信号（input，主->从，拉高为结束）
    //作为发送频谱数据时是主设备
    .m_axis_data_tdata(fft_m_data_tdata),                      // FFT输出的频谱数据，[47:24]对应的是虚部数据，[23:0]对应的是实部数据(output，主->从)。
    .m_axis_data_tuser(fft_m_data_tuser),                      // 输出频谱的索引(output，主->从)，该值*fs/N即为对应频点；
    .m_axis_data_tvalid(fft_m_data_tvalid),                    // 表示主设备正在驱动一个有效的传输（output，主->从）
    .m_axis_data_tready(fft_m_data_tready),                    // 表示从设备已经准备好接收一次数据传输（input，从->主），当tvalid和tready同时为高时，启动数据传输
    .m_axis_data_tlast(fft_m_data_tlast),                      // 主设备向从设备发送传输结束信号（output，主->从，拉高为结束）
    //其他输出数据
    .event_frame_started(fft_event_frame_started),                  // output wire event_frame_started
    .event_tlast_unexpected(fft_event_tlast_unexpected),            // output wire event_tlast_unexpected
    .event_tlast_missing(fft_event_tlast_missing),                  // output wire event_tlast_missing
    .event_status_channel_halt(fft_event_status_channel_halt),      // output wire event_status_channel_halt
    .event_data_in_channel_halt(fft_event_data_in_channel_halt),    // output wire event_data_in_channel_halt
    .event_data_out_channel_halt(fft_event_data_out_channel_halt)   // output wire event_data_out_channel_halt
  );
    
    
endmodule

由于我们设置程序一直保持正向FFT模式，因此将s_axis_config_tdata始终写入1即可。

同时我们还要注意文件读入函数readmemb()，这一函数是以二进制格式读入数据，而readmemh()是以16进制读入数据，大家不要搞混了。我就是用readmemh()弄了半天，结果数据一个也不对，找了半天才发现那是h不是b…[cry][cry][cry]

4.仿真分析

运行仿真后，时序图如下所示：

如图所示，首先判断fft_s_data_tready信号是否为高电平，即IP核是否准备好了接收数据，当检测到该信号有效后，将fft_s_data_tvalid信号拉高，准备向IP核写入数据，并开启count计数。在fft_s_data_tvalid有效期间内，读出指定txt文件中的数据，并在低16位进行补零处理后，按顺序写入到fft_s_data_tdata信号线中。当count计数到127，即最后一个数据时，将fft_s_data_tlast信号拉高，代表数据写入完成。

可以看到，在数据写入完成后（fft_s_data_tlast出现脉冲），fft_s_data_tready变为低电平，则代表IP核此时变为忙状态，不能再继续写入数据。

延时一段时间后，fft_m_data_tvalid变为高电平，代表fft_m_data_tdata中将输出有效数据，即128点FFT的计算结果。结果的实部和虚部分别见上图中的fft_q_out和fft_i_out。将IP核的计算结果与matlab的计算结果相对比，发现实部数据基本正确，虚部数据略有偏差。

通过对IP核的计算结果进行分析，发现数据在第0个、第14个和34个数据的位置出现峰值，对应0HZ、10HZ和30HZ，正代表着原始信号中的这三个频率分量，因此FFT IP核计算结果正确无误。

同时，从仿真中还可以看出，当FFT计算结果输出完成后，信号fft_m_data_tlast变为高电平，代表数据输出结束，并在延时一小段时间后，fft_s_data_tready重新变为低电平，代表IP核重新进入到空闲状态。可以进行对IP核下一组数据的输入。

原文链接：

https://gitcode.csdn.net/6628ae7c9c80ea0d22719dd0.html