Xilinx Vivado (FFT IP核)_xilinx fft ip核

1.傅里叶变换FFT
傅立叶变换是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，傅立叶变换用正弦波作为信号的成分。
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。
其中，根据奈奎斯特采样定理，采样频率需大于信号频率的两倍；
1.N为FFT采样点数，代表对信号在频域的采样数；
2.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。

2.Vivado中IP核的配置
打开Vivado2018.3：

配置IP核：



如图所示，其中，S_AXIS_DATA为输入数据端口，FFT的数据通过S_AXIS_DATA输入给IP核；S_AXIS_CONFIG为输入配置端口，对数据进行配置，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。

其中包含了S_AXIS_DATA_TDATA、S_AXIS_CONFIG_TDATA以及M_AXIS_DATA_TDATA的数据格式：
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。
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。
M_AXIS_DATA_TDATA：48位数据输出，低24位为实部，高24位为虚部。

3.仿真：
I通过matlab对F(t) = 100 + 100cos(2pi30t) + 100cos(2pi70t) 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：

（源：CSDN—傅外叶）
clear

Fs=100;                         
N = 128;
n = 1:N;
t = n/Fs;
% 生成测试信号
f1 = 30;                   
f2 = 70;                     
s1 = cos(2*pi*f1*t);    
s2 = cos(2*pi*f2*t);
fft_signal = 1 + s1 + s2 ;
data_before_fft = 100*fft_signal;  %系数放大100倍


fp = fopen('C:\Users\lys\Desktop\fft\data_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,'\r\n');
end
fclose(fp);

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


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MATLAB中的信号做傅里叶变换：

建立tb文件：

（源：CSDN—傅外叶）
`timescale 1ns / 1ps
module fft_tb;

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("C:/Users/lys/Desktop/fft/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

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4.仿真结果：

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。