基于xilinx FPGA的 FFT IP使用例程说明文档（可动态配置FFT点数，可计算信号频率与幅度）

news2024/10/5 15:24:22

1 概述

本文用于讲解xilinx IP 的FFT ip examples的功能说明，方便使用者快速上手。
参考文档：《PG109》

2 IP examples功能

本examples 是风中月隐编写的针对xilinx FFT IP的使用demo，通过仿真验证了以下功能：
1）可动态配置FFT得点数；
2）可出算出输入信号得频率；
3）可计算出FFT得幅度峰值；
4）验证了输入I/Q顺序对FFT输出结果得影响；
5）验证了动态配置FFT点数得IP设置限制；
6）验证了是否可连续输入数据；
7）可看到FFT输出每个点的频率；
8）推算了FFT IP输出结果与dB值的关系；
例程的平台：
1）仿真硬件平台：XC7Z030-ffg676-2
2） FPGA开发平台：vivado2018.2

3 IP 使用例程

3.1 IP设置

在这里插入图片描述

3.2 fft_demo端口

在这里插入图片描述

3.3 例程框图

在这里插入图片描述
以上是测试得一个整体框图，其中得模块与信号含义如下：
1） DDS IP 产生cos/sin正弦信号，即模拟外部ADC采集得I/Q信号；
2） Tlast_cfg为信号根据FFT得采样点数产生tlast信号，匹配FFT IP得信号输入；
3） FFT IP 为FFT得具体计算，实部/虚部输入与输出对应；
4）结果处理为：
a) DOUT= DOUT_RE^2 +DOUT_IM^2;
b) DOUT_MAX为DOUT得最大点得值，也就是输入信号得幅度；
c) DOUT_FRE为最大点得频率，也就是输入信号得频率；

3.4 仿真结果

目前测试得结果截图都是基于DDS产生得1MHZ信号；以下只说FFT得情况：
1）输入FFT得din一段有一段无得情况，可以运算，结果如下：
a) 可看出FFT得点数（fft_transform_length）为1024；
b) FFT_OUT有一个最大值035b7xxx，最后fft_out_max也是这个值；
c) FFT_OUT最大值时fft_fre为976560（单位HZ），最后fft_out_fre也是这个值；
在这里插入图片描述

2）输入FFT得din一直有得情况，可以运算，结果如下：
a) 可看出FFT IP输出得信号s_axis_data_tready一直为高；
b) 可看出FFT得点数（fft_transform_length）为1024；
c) FFT_OUT有一个最大值035b7xxx，最后fft_out_max也是这个值，但这个值得尾部数据不一定一致；
d) FFT_OUT最大值时fft_fre为976560（单位HZ），最后fft_out_fre也是这个值；
在这里插入图片描述

3）输入FFT得I/Q与RE/IM不对应（交换）情况，可以运算，结果如下：
a) 可看出FFT得点数（fft_transform_length）为1024；
b) FFT_OUT有一个最大值035b7xxx，即fft_out_max得高位大小无变化；
c) FFT_OUT最大值时fft_fre为99023184（单位HZ），fft_fre_n为-976816（单位HZ）；

在这里插入图片描述

4）输入FFT得RE=有效信号，IM=0情况，可以运算，结果如下：
a) 可看出FFT得点数（fft_transform_length）为1024；
b) FFT_OUT有两个高点，且以中点FS/2对称；
c) FFT_OUT最大值出现在第二个高点（简称fS的后半区）；
在这里插入图片描述

5）输入FFT得RE=0，IM=有效信号情况，可以运算，结果如下：
a) 可看出FFT得点数（fft_transform_length）为1024；
b) FFT_OUT有两个高点，且以中点FS/2对称；
c) FFT_OUT最大值出现在第二个高点（简称fS的后半区）；
在这里插入图片描述

6）输入FFT得RE/IM都有效，但配置的FFT点数（fft_transform_length=16384）大于IP中设置的FFT点数据（8192）的情况，可以运算但结果不对，结果如下：
a) 可看出设置FFT得点数（fft_transform_length）为16384，一次输入的数据点数也是16384；
b) FFT运算结果是分两个8192点输出的（因为有两次fft_fre_tlast拉高）；
c) FFT_OUT有一个高点，在FS的前半区，且最大的值在第一次8192输出的最大值比第二次大；
d) FFT_OUT最大值处计算的FFT_FRE不对；
在这里插入图片描述

3.5 仿真验证得出的结论

1） FFT可以连续不断运算，即FFT的输入根据点数拉高tlast即可一直流水线输入输出；
2）当FFT输入的信号为I/Q时，必须跟RE/IM对应上，否则输出的频率会不对，会以中心点（FS/2）对称；
3）当输入只有一路实信号（非I/Q信号），给到RE或者IM都可以，差别不大，出现最高点的位置和大小都基本一样；
4） FFT的输入点数可以重新配置，但是不能超过IP界面设置的最大值，超过最大值会按IP设置的最大值分组出数据，且值可能不对；

4 注意事项

1）一定要注意I/Q信号与FFT的RE/IM对应关系；
2）输出的频率值是根据采样频率FS以及FFT点数N，换算出的，当采样频率变化时需要修改代码中FS的值；
3） FFT IP输出每个点的频率与采样频率FS以及FFT点数N的关系如下：
a) FFT的点数将采样率FS均分为了N等分，即一个点的分辨率为FS/N；
b) 而每个点number（0~(N-1)）的频率即为number*（FS/N）；
4） IP中设置的FFT的点数一般是根据项目需要设置最大值（不同的值消耗的FPGA资源差距很大）；
5） FFT IP输出值与dB的换算关系为：当FFT的输出值为DOUT=DOUT_RE^2+DOUT_IM2时，要换算成dB时还需要额外计算：10log10(DOUT);也等价于20log10(sqrt(DOUT))；
6）此外这个值假如要与实际ADC输入信号功率对等的话，还需要人工标定（偏差相同的值）；
7） IP中的fwd_inv一定要设置为1才是FFT，否则设置0为IFFT；
8） IP中的nfft值与FFT的点数对应关系如下（可以看出本IP最大计算点数为65536）：
在这里插入图片描述