[Vivado] IP核学习之Fast Fourier Transform

最新推荐文章于 2025-05-03 13:30:00 发布
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分类专栏： FPGA学习 文章标签： 学习 fpga开发 ip
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具体参考Xilinx文档，pg109-xfft Version9.1。

一、Fast Fourier Transform有什么用？

Fast Fourier Transform是Vivado中的IP核，即快速傅里叶变换（FFT）。IP核内部使用的Cooley-Tukey FFT算法，是一种计算效率高的离散傅立叶变换 (DFT)方法。
可实现正向和反向复数FFT（即IFFT），运行时间可配置。
• 变换大小N = 2 m 2^m 2m，m = 3-16。
• 数据采样精度bx = 8 - 34。
• 相位因数精度bw = 8 - 34。

二、Fast Fourier Transform怎么用？

配置参数设置

基本参数1
Number of Channels：通道数。可选通道数范围为1-12。多通道操作可用于三个突发I/O体系结构（即Radix-2 Burst I/O、Radix-2 Lite Burst I/O、Radix-4 Burst I/O结构）。
Transform Length：变换长度。选择所需的点大小。从8到65536范围内的所有2的幂是可用的。

Architecture Configuration：结构配置。
Target Clock Frequency(MHz)：目标时钟频率（1-1000）。仅用于自动选择结构和计算延迟，但不保证IP核以指定的目标时钟频率运行。
Target Data Throughput(MSPS)：目标数据吞吐量（1-1000）。仅用于自动选择结构和计算延迟，但不保证IP核以指定的目标数据吞吐量运行。

Architecture Choice：结构选项。有以下五种结构可选：

  1. Automatically Select：自动选择结构。以选择满足指定目标数据吞吐量的最小实现，前提是在FPGA上实现FFT内核时达到指定的目标时钟频率。
  2. Pipelined Streaming I/O：流水线I/O结构。支持点大小为8到65536。
  3. Radix-2 Burst I/O：Radix-2突发I/O结构。支持点大小为8到65536。
  4. Radix-2 Lite Burst I/O：Radix-2 Lite突发I/O结构。支持点大小为8到65536。
  5. Radix-4 Burst I/O：Radix-4突发I/O结构。支持点大小64到65536。

Run Time Configurable Transform Length：运行时间可配置变换长度，选中则表示选中s_axis_config_tdata中的NFFT字段，此时的Transform Length数值只是最大FFT点数，不代表实际运行时的FFT点数；反之，当转换长度不是运行时间可配置的时，FFT内核使用较少的逻辑资源并且具有更快的最大时钟速度。

实现参数设置

基本参数2
Data Format：数据格式。有两种数据格式可选：

  1. Fixed Point： 选择输入和输出数据样本是定点格式。
  2. Floating Point： 选择输入和输出数据样本是IEEE-754单精度 (32位) 的浮点格式。当FFT IP核处于多通道配置时，浮点格式不可用。

Scaling Options：缩放选项。对于所有体系结构，有三个选项可用：

  1. Block Floating point：块浮点。由核心决定需要多大的缩放才能充分利用可用动态范围，并将缩放因子报告为块指数。
  2. Scaled：缩放。用户定义的缩放计划决定如何在FFT级之间缩放数据。
  3. Unscaled：未缩放。所有整数位增长都被传递到输出。这样会使用更多的FPGA资源。

Rounding Modes：舍入模式。在蝶形的输出处，需要削减数据路径中的LSBs。

  1. Convergent rounding：收敛舍入。收敛舍入是一种无偏舍入方案，可以用避免DC偏差（直流偏差）。当一个数的小数部分正好等于二分之一时，如果该数是奇数，则收敛舍入向上舍入；如果该数是偶数，则向下舍入。由于额外的延迟，选择此选项会增加切片的使用。
  2. truncation：截断。在蝶形阶段之后截断，会引入DC偏差（直流偏差）。

Precision Options：精度选项。
Input Data Width：输入数据位宽。可独立配置为宽度从8到34位。当数据格式为浮点（Floating Point）格式时，输入数据宽度固定为32位。
Phase Factor Width：相位因子位宽。可独立配置为宽度从8到34位。当数据格式为浮点（Floating Point）格式时，相位因子宽度可以设置为24或25位，具体取决于所需的噪声性能和可用的资源。

Control Signals：控制信号。如果两者都被选中，同步清除优先于时钟启用。如果有一个未选中，则可以节省一些逻辑资源，并且获得更高的时钟频率。
ACLKEN：是否启用时钟使能。
ARESETn(active low)：是否启用同步清除（低电平有效）。同步清除端，必须持续至少2个时钟周期才能生效。

Output Ordering Options：输出排序选项。

  1. Bit/Digit Reversed Order：位/数字逆序。基于Radix-2的体系结构 (流水线I/O，Radix-2突发I/O和Radix-2 Lite突发I/O) 提供位逆序排序，基于Radix-4的体系结构 (Radix-4突发I/O) 提供数字逆序排序。
  2. Natural Order：自然顺序。对于流水线I/O架构，选择自然顺序输出排序会导致内核使用的内存增加。对于突发（Burst）I/O体系结构，选择自然顺序输出会增加整体转换时间，因为需要单独的卸载阶段。
    Cyclic Prefix Insertion：循环前缀插入。如果输出排序是自然顺序，则可以选择循环前缀插入。循环前缀插入适用于所有架构，通常用于OFDM无线通信系统。

Optional Output Fields：可选输出字段。
XK_INDEX：输出序列序号。数据输出通道中的可选字段。由m_axis_data_tuser端口输出。
OVFLO：溢出标志位。数据输出通道和状态通道中的可选字段。由m_axis_data_tuser端口或是m_axis_status_tdata端口输出。

Throttle Scheme：节流方案。选择性能和数据定时之间的权衡要求。
Real Time： 实时模式。通常给出更小和更快的设计，但对何时必须提供和使用数据有严格的约束。
Non Real Time： 非实时模式。没有实时模式那样的约束，但设计可能更大、更慢。

详细实现参数设置

基本参数3
Memory Options：存储器选项。
Data and Phase Factors：数据和相位因子。对于突发（Burst）I/O架构，块RAM和分布式RAM都可用于数据和相位因子存储。数据和相位因子存储可以在分布式RAM中，用于所有点的大小（包括1024点）；在流水线I/O结构中，数据可以部分存储在块RAM中

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