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VIVADO IP核整理（二）——FFT

news 来源：原创 2025/5/11 11:14:46

IP 核配置

在 IP Catalog 中搜索：Fast Fourier Transform

在这里插入图片描述

按照上图所示进行配置，下文对配置内容进行详述。

Configuration
- Number of Channels：FFT 通道数，多通道即代表多帧数据同时进行 FFT 计算
- Transform Length：FFT 长度
- 当 Architecture Choise 选择 Automatically Select 时，Target Clock Frequency（期望的时钟频率）和 Target Data Throughput（期望的数据吞吐量）这两个参数用于确定使用的 FFT 架构
- 四种 FFT 架构
  - Pipelined Streaming I/O：支持连续的数据流处理，具有最高的处理速度，但资源占用也最多。适用于对实时性要求高的应用
  - Radix-4 Burst I/O：资源占用比上级少，处理速度比上级慢
  - Radix-2 Burst I/O：资源占用比上级少，处理速度比上级慢
  - Radix-2 Lite Burst I/O：资源占用最少，但处理速度最慢。适用于对性能要求不高且资源非常有限的场景。
- Run Time Configurable Transform Length：勾选后，可通过设置 s_axis_config_tdata 中 NFFT 字段的长度来改变 FFT 长度（需小于 Transform Length）
Implementation
- Data Format：可选定点或浮点
- Scaling Options：在 Radix-4 架构下，每经过一级蝶形运算，值会出现 3bit 的增长；Radix-2 则会出现 2bit 的增长，为避免溢出或资源浪费，需设置缩放模式
  - Scaled（缩放）：可通过配置缩放因子控制每一级的缩放情况
  - Unscaled（未缩放）：不对数据进行缩放，输出数据位宽会在计算过程中增长
  - Block Floating Point（块浮点缩放）：在每个计算阶段动态调整缩放因子，相比于 Scaled 模式，块浮点模式会增加资源使用
- Rounding Modes：Truncation（截断）、Convergent Rounding（收敛舍入，精度高但资源消耗大）
- ACLKEN（使能信号）
- ARESETn（复位信号）
- Output ordering：
  - Natural Ordering：输出按顺序排列，已处理过
  - Bit/Digit Reversed Order：对于 8 点 FFT，输出顺序为 0、4、2、6、1、5、3、7，需自行后续处理
- XK_INDEX：频谱索引
- OVFLO：溢出指示信号
- Throttle Scheme（节流方案）：可选择 Non Real Time（非实时）或者 Real Time（实时）

IP 核接口

s_axis_config_tdata 配置

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字段	触发条件	定义
NFFT	勾选 Run Time Configurable Transform Length	位宽 5 bit，数值为 log2(FFT点数)
CP_LEN	勾选 Cyclic Prefix Insertion	循环前缀长度
FWD/INV	必选	1 为 FFT，0 为 IFFT，每个 bit 对应一个 FFT 通道，第一通道放在最低位
SCALE_SCH	Scaling Options 选择 scaled 时	配置缩放因子，具体方法见下文
PAD	自动触发	用于 8bit 对齐，当比特数不足 8 时，用零补齐

SCALE_SCH 配置方法：

基于 Radix-2 架构，蝶形运算的阶数为 log₂(N)，基于 Radix-4 和 Pipelined Streaming I/O 架构，蝶形运算的阶数为 log₄(N)
对于 Radix-2 和 Radix-4 架构，为每一阶配置一个缩放因子，因子可选 3/2/1/0，每个因子占 2bit
因子 3 对应缩放 1/8；因子 2 对应缩放 1/4；因子 1 对应缩放 1/2，一般而言，总放缩系数为 1/N
例如，对应 Radix-4 架构的 128 FFT点数，位宽为 2 * ceil( log₄(N) ) = 8，缩放因子可以设置为 [1,2,2,2]，高阶放在高位

输入输出端口描述

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端口	方向	定义
s_axis_config_tdata	IN	配置数据
s_axis_config_tready	OUT	表示已准备好接收配置数据
s_axis_config_tvalid	IN	表示配置数据输入有效
s_axis_data_tdata	IN	输入数据，[31:16]为虚部，[15:0]为实部
s_axis_data_tlast	IN	表示输入结束，当 N 点数据输入完后置高
s_axis_data_tready	OUT	为高时表示 FFT 模块可以接收数据
s_axis_data_tvalid	IN	表示数据输入有效
m_axis_data_tdata	OUT	输出频谱数据，[31:16]为虚部，[15:0]为实部
m_axis_data_tlast	OUT	表示输出结束，当 N 点数据输出完后置高
m_axis_data_tready	IN	表示从设备已准备好数据接收
m_axis_data_tvalid	OUT	表示数据输出有效

仿真

s_axis_config_tdata = 16’b10101001_1_0000000; 高八位是缩放因子，低八位是 FWD/INV 和用于补齐的零，如果不使用缩放因子的话，将其配置为 8’b0000_0001
s_axis_data_tdata [31:16]为虚部，[15:0]为实部，均为有符号数

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