关于XILINX FPGA FFT IP核的学习笔记

最近在做载波同步锁相环的时候，需要用到FFT核对AD采样数据进行傅里叶变换，以得到锁相环中NCO的初始频率控制字。关于FFT蝶形算法，包括高版本的FFT核（带AXI4协议）在这先不阐述了。

本文主要是记录7.1版本的FFT核学习仿真记录，把摸索过程中遇到一些问题和解决方法都记录下来，方便以后借鉴和使用。

首先是IP核的配置：



配置的第一页主要是通道数量设置，转换点数设置，目标时钟速率设置，还有IP核工作模式的选择。在这里我们只是验证用，只需要用一通道，做1024点FFT，以及流水线工作模式。关于工作模式，流水线速度最快，占用资源最多，突发基二速度最慢，资源最少，这是FPGA速度和面积转换的一个典型的例子，可以根据工程需求进行选择。



第二页可以设置数据类型（定点Fixed Point或浮点Floating Point）；数据位宽和相位因数位宽，这里我这边NCO产生的正弦波幅值位宽是17位，与之对应；凑整模式（Rounding Modes）选择（截断truncation或收敛舍入convergent rounding）；输出指令（output ordering）选择：这里默认是倒位次序输出，这样的话输出的幅值是不按频率顺序排列的，选择自然顺序之后，输出的幅值才是按频率次序输出。没有提及到的都是我的工程中没有涉及到的选项，例如额外引脚选择，输入是否偏置都是按默认值走的。



第三页也是按的默认值设置，没有变动。

生成IP核之后，需要对IP核的引脚及其功能进行了解。懒癌发作了，不自己码了。在网上找了图片一贴，这个比我码要详细得多：







接下来说下仿真的工程，我把IP核例化到顶层文件中，与此同时，根据正弦波信号的傅里叶变换为单位冲击响应函数，所以在工程里还设置了NCO模块产生正交正弦波给FFT核作为输入，目的是为了观测能否得到一个单位冲击函数的输出结果（实际做出来不会是理想冲击响应，会像频谱仪观测正弦波信号一样得到一个尖峰点频）。在仿真文件中，把顶层模块作为仿真文件的目标对象，仿真文件中设置好时钟复位，以及FFT核缩放因子等参数的设置。工程的具体构架如下（带仿真的testbench）：



一切准备就绪后，我们运行modelsim对工程进行仿真，仿真结果如下：





这里选择了顺序输出，缩放因子也需要经过好几次的尝试才能得到一个比较合适的值。由于在modelsim仿真结果中观察不是很直观，于是在仿真文件中加入如下代码将仿真结果导出到txt文件中，借助强大的MATLAB进行画图观察。



网上还有另外一种在modelsim中输入指令将数据导出的方法，我试过也是可以的，但是感觉不如这种方法方便，按上面的代码会出现三个txt文本，对应三个不同信号的输出结果，MATLAB直接调用此文件就可以，感觉非常方便快捷。因为我这里需要大量的数据，因此我没有给i初始值，i就会一直是不定态这里不会触发$stop。在这里说一下中间遇到的问题，一开始我只导出了实部的数据，画出来的图非常奇怪，完全不是想要的结果。后来把虚部的也导出，实部虚部平方和开根号求出幅值之后再画图，最后终于得到比较满意的结果：



这里可以看到最高幅值都集中在频点附近，同时，也能发现谐波的身影，和频谱仪的输出相近。

end