【FPGA】FFT测量信号频率（Quartus IP核）_fft函数检测频率

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注意：笔者使用的是Quartus Standard 17.1版本，高版本的Quartus需要先破解IP核才能调用FFT，不然在编译仿真时会在EDA Netlist Writer报错说没有相应的license，同时打开simulation tool也会报错。板子用的是小梅哥的AC620V2开发板，型号是cyclone IV E : EP4CE10F17C8。

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二、FFT是什么（原理）？

        FFT（快速傅里叶变换）是数字信号处理中一种重要的算法，用于将一个信号从时域转化为频域。其原理基于傅里叶变换，但相比传统的傅里叶变换，FFT算法具有更高的计算效率。

        FFT算法的原理是将一个N点的离散信号通过递归分治的方式分解成多个小规模的离散信号，然后通过频域旋转因子的运算将其合并成最终的频域结果。具体而言，FFT算法通过将信号分解为偶数点和奇数点，然后再对这些小规模的子问题进行傅里叶变换，最终将结果合并得到信号的频域表示。

        FFT算法在数字信号处理中具有重要的意义。首先，FFT算法可以将信号从时域转换为频域，这使得我们可以了解信号的频谱特征，例如信号的频率成分、幅度和相位信息等。这对于信号处理、频谱分析和滤波等应用非常重要。

其次，FFT算法具有高效的计算速度。传统的傅里叶变换算法的计算复杂度为O(N^2)，而FFT算法的计算复杂度为O(NlogN)。这意味着FFT算法能够在较短的时间内进行大规模信号的频域变换，对于实时信号处理和大数据处理具有重要意义。

        此外，FFT算法还有其他一些重要的应用，例如信号滤波、频谱估计、相关性分析和频谱乘法等。这些应用使得FFT成为数字信号处理中必不可少的工具。

        快速傅里叶变换的基本思想是将时域序列逐次分解为一组子序列，利用旋转因子的特性，由子序列的DFT来实现整个序列的DFT。

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三、FFT IP核参数介绍

按以下步骤可以打开官方对于FFT IP核的解释文档

双击FFT可以进入IP核设置界面

Transform：Length是指转换序列长度或者在可变数据流模式下的最大转换长度；Direction可选FFT或者逆快速傅里叶变换IFFT。同时可以在端口信号inverse处设置变换方向，0为FFT，1为IFFT。

.inverse      (inverse),      //       .inverse

I/O：Data Flow可以选择四种模式Variable Streaming、Streaming、Buffered Burst、Burst。可以根据自己的需求选择具体的模式。Streaming模式允许对于输入数据的持续处理并且持续输出处理后的数据流，不需要暂停输入输出数据流。Variable Streaming模式和Streaming模式很相似，但Variable Streaming在FFT运行过程中可以处理不同长度的序列。Buffered Burst模式进行FFT的处理时间会相对久一点，但对于内存资源的需求会比Streaming模式少。Burst模式和Buffered Burst模式也很相似，但Burst会消耗更少的内存资源，同时平均吞吐量会更低。

Data and Twiddle：设置数据类型和旋转因子。和之前设置的IO模式有对应关系，否则会显示报错。可以再具体翻一翻手册。

Basic Parameters

在Burst模式下还需要配置Advanced Parameters，但只需要配置FFT Engine Architecture和Number of Parallel FFT Engines。

在配置完IP后，可以看到生成的Block Symbol 。

 具体信号含义可以看下表，帮助理解。该表来源于FPGA学习专题-FFT IP核的使用_quartus实现fft全流程-CSDN博客

        在配置IP核时可以考虑fft的延时问题，burst模式比stream模式稍慢，而基4模式比基2模式（在advanced parameters中设置）快，可以搭配使用。

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四、仿真

在matlab中生成正弦波，并将数据导入FPGA进行仿真，验证FFT核的正确性

0、文件完整结构

在后续建文件和修改绝对路径时尽量参考这个文件结构。

1、设置IP核

这是Quartus中FFT IP核的编辑界面。要generate两个地方，不然在仿真的时候会报错

2、例化FFT，并完善顶层文件

//File name:fft_demo
//Complete date:23/03/24
/
module fft_demo(
	input wire clk,
	input wire rst_n,
	input wire sink_valid,
	input wire sink_sop,
	input wire sink_eop,
	input signed [15:0] data_in,
	
	output wire source_valid,
	output wire source_sop,
	output wire source_eop,
	output signed [31:0] data_out
);
 
	wire sink_ready;
	wire [1:0] sink_error;
	wire signed [15:0] sink_imag;
	wire inverse;
	wire source_ready;
	wire [1:0] source_error;
	wire signed [15:0] source_real;
	wire signed [15:0] source_imag;
	wire [5:0] source_exp;
	
	assign sink_error=2'b00;
	assign sink_imag=16'd0;
	assign inverse=1'b0;
	assign source_ready=1'b1;
 
 
    fft u0 (
        .clk          (clk),          //    clk.clk
        .reset_n      (rst_n),      //    rst.reset_n
        .sink_valid   (sink_valid),   //   sink.sink_valid
        .sink_ready   (sink_ready),   //       .sink_ready
        .sink_error   (sink_error),   //       .sink_error
        .sink_sop     (sink_sop),     //       .sink_sop
        .sink_eop     (sink_eop),     //       .sink_eop
        .sink_real    (data_in),    //       .sink_real
        .sink_imag    (sink_imag),    //       .sink_imag
        .inverse      (inverse),      //       .inverse
        .source_valid (source_valid), // source.source_valid
        .source_ready (source_ready), //       .source_ready
        .source_error (source_error), //       .source_error
        .source_sop   (source_sop),   //       .source_sop
        .source_eop   (source_eop),   //       .source_eop
        .source_real  (source_real),  //       .source_real
        .source_imag  (source_imag),  //       .source_imag
        .source_exp   (source_exp)    //       .source_exp
    );
 
	 wire signed [31:0] dout_re,dout_im;
	 assign dout_re=source_real*source_real;
	 assign dout_im=source_imag*source_imag;
	 assign data_out=dout_re+dout_im;
 
endmodule

3、利用matlab生成正弦波信号

这段代码首先定义了采样频率fs为100000Hz，信号频率f1为1000Hz，然后生成了一个长度为2048的时间序列t，采样频率为fs。接着生成了一个长度为2048的信号x，信号是由0.5倍幅度的1000Hz正弦波和0.5的直流分量组成，然后将其量化为8位，即取值范围为0-255。

接下来使用fft函数对信号x进行1024点的快速傅里叶变换，得到频谱y。然后使用plot函数绘制了频谱y的幅度平方的图像，即频谱的能量谱图。

clc;
clear;
fs=100000;
f1=1000;
t=0:1/fs:2047/fs;
 
x=floor((0.5*cos(2*pi*f1*t)+0.5)*255);
 
plot(x);
 
y=fft(x,1024);
 
plot(abs(y).*abs(y));

4、导出变量x生成的正弦波数据

新建一个trans.cpp文件，将datain.txt中的数据导入dataset.vh文件。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{
    freopen("datain.txt","r",stdin);
    freopen("dataset.vh","w",stdout);
 
    signed short val;
 
    for(int i=0;i<2048;i++)
    {
        cin>>val;
        printf("%x\n",val);
    }
 
    fclose(stdin);
    fclose(stdout);
 
    return 0;
 
}

5、编写testbench

注意要修改其中的路径，不然在仿真时会报错。 

/
 
`timescale 1ns/1ns
 
 
 
module fft_demo_tb;
 
reg clk;
reg rst_n;
wire sink_valid;
wire sink_sop;
wire sink_eop;
wire signed [15:0]data_in;
 
wire source_valid;
wire source_sop;
wire source_eop;
wire [1:0]source_error;
wire signed [31:0]data_out;
 
parameter FILE_PATH="E:/Quartus-standard-17.1/Documents/fft/simulation/modelsim/dataset.vh";
reg [15:0] data[2048:0]; 
 
	initial begin
		clk=0;
		$readmemh(FILE_PATH,data);
		#0 rst_n=0;
		#110 rst_n=1;
	end
	
	always #5 clk=~clk;
		
	reg [10:0] cnt;
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
		begin
			if(!rst_n)begin cnt<=0; end
			else begin cnt<=cnt+1; end
		end
		
	assign data_in=data[cnt];
 
 
	
	reg [10:0] cnt1;
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
		begin
			if(!rst_n)begin cnt1<=0; end
			else begin cnt1<=cnt1+1; end
		end
	
	
	assign sink_sop=(cnt1==1 && rst_n==1)?1:0;
	assign sink_eop=(cnt1==1024 && rst_n==1)?1:0;
	assign sink_valid=(cnt1>=1 && cnt1<=1024 && rst_n==1)?1:0;
	
	fft_demo u_test(
		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.sink_valid(sink_valid),
		.sink_sop(sink_sop),
		.sink_eop(sink_eop),
		.data_in(data_in),
		.source_valid(source_valid),
		.source_sop(source_sop),
		.source_eop(source_eop),
		.source_error(source_error),
		.data_out(data_out)
	);
	
	
	integer vec_file1;
	initial
	begin
		wait(rst_n==1'b1);
		#10;
		vec_file1=$fopen("E:/Quartus-standard-17.1/Documents/fft/data_out.dat","w");
		forever 
		begin
			@(posedge clk);
			#1;
			if(source_valid)
					$fwrite(vec_file1,"%d\n",data_out);
		end
		$fclose(vec_file1);
	end
		
	 
endmodule

6、RTL Simulation

打开Quartus中的RTL Simulation。

可以从仿真图上看到source_valid为1期间，data_out结果即为fft之后的频谱结果。可以看到结果和matlab生成的效果相差无几。

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五、上板

将matlab中生成的信号数据导成mif文件，FPGA 使用ram ip核读取mif文件，再调用fft ip核计算频谱。

1、matlab生成正弦波信号并导出mif文件

clc;
clear;
fs=800;
f1=50;
N=1024;
x=0.5*sin(2*pi*f1/fs*(0:N-1));
f_axis=[0:N-1]*fs/N;
 
figure;
plot(x); %原信号
 
y=fft(x,1024);
 
figure;
plot(f_axis,abs(y)); %频谱
 
% 将信号量化为12位
x_quantized = round(x * (2^11-1));
 
% 生成mif文件
fid = fopen('single_freq_signal.mif', 'w');
fprintf(fid, 'DEPTH = 1024;\n');
fprintf(fid, 'WIDTH = 12;\n');
fprintf(fid, 'ADDRESS_RADIX = HEX;\n');
fprintf(fid, 'DATA_RADIX = HEX;\n');
fprintf(fid, 'CONTENT\n');
fprintf(fid, 'BEGIN\n');
for i = 0:1023
    fprintf(fid, '%03X : %03X;\n', i, x_quantized(i+1));
end
fprintf(fid, 'END;\n');
fclose(fid);

2、ram ip核设置及相关模块

ram_ip例化（简单驱动）

//顶层模块
module ram_ip(
    input  sys_clk,     //系统时钟
    input  sys_rst_n,    //系统复位，低电平有效
	 output [7:0] ram_rd_data
    );
    
//wire define
wire             ram_wr_en   ;  //ram写使能  
wire             ram_rd_en   ;  //ram读使能  
wire    [9:0]    ram_addr    ;  //ram读写地址
wire    [7:0]    ram_wr_data ;  //ram写数据
//wire    [7:0]    ram_rd_data ;  //ram读数据   
 
ram_rw  ram_rw_inst(   //例化底层模块
    .clk            (sys_clk),          //系统时钟
    .rst_n          (sys_rst_n),        //系统复位，低电平有效
    .ram_wr_en      (ram_wr_en  ),      //ram写使能  
    .ram_rd_en      (ram_rd_en  ),      //ram读使能  
    .ram_addr       (ram_addr   ),      //ram读写地址
    .ram_wr_data    (ram_wr_data),      //ram写数据
    .ram_rd_data    (ram_rd_data)       //ram读数据   
    );
    
ram_config	ram_config_inst (  //实例化底层IP核
	.address    (ram_addr),     //ram读写地址
   .inclock    (sys_clk),      //系统时钟
   .outclock   (sys_clk), 
	.data       (ram_wr_data),  //ram写数据
	.rden       (ram_rd_en),    //ram读使能  
	.wren       (ram_wr_en),    //ram写使能  
	.q          (ram_rd_data)   //ram读数据   
	);
 
endmodule

ram_rw（读写控制）

//RAM读写驱动
module ram_rw(
    input               clk        ,  //时钟信号
    input               rst_n      ,  //复位信号，低电平有效
    
    output              ram_wr_en  ,  //ram写使能
    output              ram_rd_en  ,  //ram读使能
    output  reg  [9:0]  ram_addr   ,  //ram读写地址
    output  reg  [7:0]  ram_wr_data,  //ram写数据
	 output  reg   		read_flag,
    
    input        [7:0]  ram_rd_data   //ram读数据        
    );
reg [10:0]  rw_cnt ;                //读写控制计数器 
 
//rw_cnt计数范围在0~31,ram_wr_en为高电平;32~63时,ram_wr_en为低电平
//assign  ram_wr_en = ((rw_cnt >= 6'd0) && (rw_cnt <= 6'd31))  ?  1'b1  :  1'b0;
assign  ram_wr_en = 1'b0;
//rw_cnt计数范围在32~63,ram_rd_en为高电平;0~31时,ram_rd_en为低电平
assign  ram_rd_en = ((rw_cnt >= 11'd0) && (rw_cnt <= 11'd1023))  ?  1'b1  :  1'b0;   //assign赋值功能
 
//读写控制计数器,计数器范围0~63
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)
        rw_cnt <= 11'd0;    
    else if(rw_cnt == 11'd1023)   //计数到63清零
        begin
			rw_cnt <= 11'd0;
			read_flag<=1;
		  end
    else //if(rw_cnt < 11'd1023)
			begin
			rw_cnt <= rw_cnt + 11'd1; 
			read_flag<=0;
			end
			
end  
 
 
//读写控制器计数范围：0~31 产生ram写使能信号和写数据信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)
        ram_wr_data <= 8'd0;  
    else if(rw_cnt >= 6'd0 && rw_cnt <= 6'd31)
        ram_wr_data <= ram_wr_data + 8'd1;
    else
        ram_wr_data <= 8'd0;         
end   
 
//读写地址信号 范围:0~31
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)
        ram_addr <= 10'd0;
    else if(ram_addr == 10'd1023)
        ram_addr <= 10'd0;
    else
        ram_addr <= ram_addr + 1'b1; 
end
 
endmodule

fft_ram（连接fft和ram）

module fft_ram(
	input clk,
	input rst_n,
	
	output [15:0] data_out,
	output source_valid
);
 
wire [7:0]  ram_rd_data;
 
ram_ip ram_ip(
	.sys_clk(clk),
	.sys_rst_n(rst_n),
	.ram_rd_data(ram_rd_data)
);
 
fft_demo fft_demo(
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	.data_in(ram_rd_data),
	.data_out(data_out),
	.source_valid(source_valid)
	); 
 
endmodule

3、fft ip核

ip核设置

//File name:fft_demo
//Complete date:23/03/24
/
module fft_demo(
	input wire clk,
	input wire rst_n,
	
	input signed [7:0] data_in,
		
	output signed [15:0] data_out,
	output wire source_valid
);
	wire sink_valid;
	wire sink_sop;
	wire sink_eop;
	
	//wire source_valid;
	wire source_sop;
	wire source_eop;
	wire [1:0] source_error;
 
	wire sink_ready;
	wire [1:0] sink_error;
	wire signed [7:0] sink_imag;
	wire inverse;
	wire source_ready;
	//wire [1:0] source_error;
	wire signed [7:0] source_real;
	wire signed [7:0] source_imag;
	wire [5:0] source_exp;
	
	assign sink_error=2'b00;
	assign sink_imag=8'd0;
	assign inverse=1'b0;
	assign source_ready=1'b1;
 
	reg [10:0] cnt;
	
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n)
			cnt<=0;
		else
			cnt<=cnt+1;
	end
	
	assign sink_sop=(cnt==1)?1:0;
	assign sink_eop=(cnt==1024)?1:0;
	assign sink_valid=(cnt>=1 && cnt<=1024)?1:0;
	
 
    fft u0 (
        .clk          (clk),          //    clk.clk
        .reset_n      (rst_n),      //    rst.reset_n
        .sink_valid   (sink_valid),   //   sink.sink_valid
        .sink_ready   (sink_ready),   //       .sink_ready
        .sink_error   (sink_error),   //       .sink_error
        .sink_sop     (sink_sop),     //       .sink_sop
        .sink_eop     (sink_eop),     //       .sink_eop
        .sink_real    (data_in),    //       .sink_real
        .sink_imag    (sink_imag),    //       .sink_imag
        .inverse      (inverse),      //       .inverse
        .source_valid (source_valid), // source.source_valid
        .source_ready (source_ready), //       .source_ready
        .source_error (source_error), //       .source_error
        .source_sop   (source_sop),   //       .source_sop
        .source_eop   (source_eop),   //       .source_eop
        .source_real  (source_real),  //       .source_real
        .source_imag  (source_imag),  //       .source_imag
        .source_exp   (source_exp)    //       .source_exp
    );
 
	 wire signed [15:0] dout_re,dout_im;
	 assign dout_re=source_real*source_real;
	 assign dout_im=source_imag*source_imag;
	 assign data_out=dout_re+dout_im;
 
endmodule

4、计算频谱下标

输出的fft结果只有单个单个的频点，但有时需要信号频率信息，即需要根据公式f=(k*fs)/N

//通过横坐标算出对应频率，其实也就是找峰值
module f_calculate(
	input clk,
	input rst_n,
 
	output reg [15:0] peak_value,
	output reg [9:0]  peak_index,//未经过换算
	output reg [9:0]  peak_index2,//经过换算
	output reg [9:0]  index
);
 
reg [15:0] data_array [0:1023];
reg [15:0] fs=16000;
reg [15:0] threshold1=500;//设置上下阈值
reg [15:0] threshold2=2000;
 
 
wire [15:0] data_out;
wire source_valid;
 
fft_ram fft_ram_inst(
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	
	.data_out(data_out),
	.source_valid(source_valid)
);
 
 
always@(posedge clk or negedge rst_n) 
begin
	if(!rst_n)
	begin
		index<=0;
		peak_value<=0;
		peak_index<=0;
	end
	else begin
		if(source_valid)
		begin
			data_array[index]<=data_out;
			index<=index+1;
			if(data_out>threshold1 && data_out<threshold2)
			begin
				peak_value<=data_out;
				peak_index<=index<512 ? index : 1024-index;
				peak_index2<=peak_index*fs/1024;
			end
		end
 
	end
end
 
endmodule

5、上板验证（signaltap）

可以看到能正确显示对应频率。

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六、IP核破解

        如果使用的是高版本的Quartus需要先破解IP核才能调用FFT，不然在编译仿真时会在EDA Netlist Writer报错说没有相应的license。

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参考文献及资料

1、丝滑仿真quartus fft ip_哔哩哔哩_bilibili   （这个up主的视频里有仿真部分的完整操作，保姆级，强烈推荐）

2、FPGA学习专题-FFT IP核的使用_quartus实现fft全流程-CSDN博客

3、这篇博客介绍了使用modelsim的一些常见问题和解决办法

modelsim遇到的问题_illegal base specifier in numeric constant-CSDN博客 

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其他

以上就是完整使用fft ip核进行仿真和实际上板的过程。笔者学识尚浅，文章内容可能有些许纰漏。如有问题可指出，共同讨论学习。