• Quartus II 与ModelSim-Altera联合仿真FFT IP核之FFT IP核分析


    FFT IP Core Features

    参数设置

    FFT IP核有4种模式,分别为:

    • 突发模式(Burst);
    • 缓存突发模式(Buffered Burst);
    • 流模式(Streaming);
    • 可变流模式(Variable Streaming);

        前3中模式运算速度依次增大,占用资源也依次增加,第4种模式(Variable Streaming)可以用于在线改变FFT的大小。速度和流模式差不多,资源占用更多。

    分为基本配置和高级配置两种,基本配置包括配置FFT ip核的变换长度,FFT还是IFFT,数据模式,输入、输出的顺序。数据精度等。高级配置包括FFT的结构,FFT的引擎数。

    Tansform:

    Length:是FFT的变换长度,只能选择指定长度,不能自定义。

    Direction:指定该IP核完成的是FFT变换还是用户可控制的FFT变换或IFFT变换。

    I/O:

    Data Flow:选择输入数据流的方式,共有4中方式,突发(Burst)、缓存突发(BufferedBurst)、流模式(Streaming)、可变长度流模式(Variable Streaming),其中前3种方式运算速度依次增加,消耗的资源也依次增加,第4种方式允许用户改变FFT的变换长度,速度和流模式(Streaming)差不多,但消耗更多资源。

    Input Otder:输入数据的顺序

    Output Order:输出数据的顺序

    Data and Twiddle:

    Representation:数据数据的结构,有三种分别是:

    • Block Floating(块浮点);
    • Fixed Point(定点);
    • Single Floating Point(单浮点);

    Fixed Point和Single Floating Point这两种方式只能用于可变流模式(Variable Streaming),对于突发(Burst)、缓存突发(Buffered Burst)、流模式(Streaming)这三种方式来说只能用(块浮点)Block Floating。块浮点就是在数据的一帧数据中有一个共同的缩放因子,这同时也带来了一个问题,当一帧数据中有大有小的时候,共用一个缩放因子会造成小数(比较小的数)误差增大。

    • 定点:小数点的位置确定;
    • 浮点:小数点的位置不确定,浮点数转换成二进制数存放的准则:如20.25,转换成二进制并归一化:10100.01=1.010001*2^4;用32位浮点表示 [31] 1位符号 [30-23]8位指数 [22-00]23位小数:0 00000100 00000000000000000010001
    • 块浮点:一个数据块的数据共享一个指数。例如一个数据块有6个数据,则开7个空间,前六个放数据,后一个放指数;指数用的是此数据块中最大值归一化后的指数,其余5个数按此指数存放二进制数;

    Data Input Width:输入数据的数据宽度

    Twiddle Width:旋转因子的数据宽度,旋转因子的数据宽度不能大于输入数据的数据宽度

    Data Output Width::输出数据的数据宽度,FFT的计算结果是输出的实部和虚部与缩放因子(EXP)的结合,缩放因子为负表示,输出数据需要左移(增大),为正则右移,输出的实部和虚部,缩放因子都是有符号数,这点需要注意。

    Latency Estimaters:

    • Calculation:计算的延迟
    • Throughput Latency:处理延迟

    高级设置一共有两个选择,一个是选择运算的结构,一个是选择FFT的引擎数。

    运算结构有两种:Single Output(单输出)和Qaud Output(四输出),单输出一个时钟周期只计算一个FFT的蝶形运算,四输出一个周期计算4个基4的蝶形运算。

    FFT的引擎数越多,计算速度越快,当然也消耗更多的资源。默认是四输出,一个FFT引擎,默认设置即可。

    设置完参数后即可点击Generate HDL来产生HDL文件(综合文件和仿真文件)。

    接口信号信息

    一个时钟,时钟就是FFT ip核运算的时钟;

    一个复位,reset_n是FFT ip核复位信号,低电平有效,复位的时候sink_ready信号一直为低(无效);

    一个FFT/IFFT控制线,inverser设置FFT变换还是IFFT变换,低电平表示FFT,高电平表示IFFT。一个sink,一个source 。

    sink信号:

    • sink_valid:输入到FFT,输入数据有效信号,在输入数据期间要保持有效;
    • sink_sop:输入到FFT,输入数据起始信号,与第一个数据对齐,只需保持一个时钟周期即可;
    • sink_eop:输入到FFT,输入数据结束信号,与最后一个数据对齐,只需保持一个时钟周期;
    • sink_ready: FFT输出,输入准备好信号,此信号为高表示可输入变换数据,否则不要输入变换数据;
    • sink_error:输入到FFT,输入错误信号,置0即可;
    • sink_real:输入到FFT,输入的实部信号;
    • sink_imag:输入到FFT,输入的虚部信号;

    Source信号:

    • source_valid:FFT输出,输出有效信号,FFT变换完成后,此信号置高,开始输出数据;
    • source_ready:输入到FFT,输出数据准备好信号,置1即可;
    • source_error:FFT输出,输出错误信号,若输入的数据格式有误,则不进行FFT变换,并给出错误值,根据错误值可查看手册,确定是输入数据怎么错了;
    • source_sop:FFT输出,输出数据起始信号,与输出的第一个数据对齐;
    • source_eop:FFT输出,输出数据的终止信号,与输出的最后一个数据对齐;
    • source_real:FFT输出,输出数据的实部;
    • source_imag:FFT输出,输出数据的虚部;
    • source_exp:FFT输出,数据的缩放因子;

    输出数据格式

    Source_exp的输出范围

    注:

    • FFT IP核的输入数据和输出数据,缩放因子都是有符号数;
    • 实际运算的结果是实部和虚部与缩放因子的结合,若缩放因子为负,实部和虚部要左移相应的位数,若为正则右移,例如:缩放因子宽度为6,二进制值为101011,该值为有符号数,表示-21,则实部和虚部需要左移21位才是最终结果;
    • 若是FFT逆变换,只需要把inverser置1即可;

    Burst接口时序

    Streaming接口时序

        流I/O数据流结构允许输入数据连续处理,并输出连续的复数数据流。这个过程不需要停止FFT函数数据流的进出。

        注意:在每一帧数据传输时要注意sink_valide、sink_ready,inverse要同sink_sop同步。

    当完成数据转换后,FFT模块将source_valid置为有效,并以自然顺序输出变换域的数据,FFT模块输出source_sop表示第一个有效数据的输出。在N个数据(一帧)都变换结束之后即 N个时钟后,FFT模块将source_eop置为有效表示输出数据的结束。输出时序图如下。

        FFT兆核函数采用Altera Atlantic接口I/0协议,输入接口为主设备汇端(Master Sink)而输出接口为主设备源端(Master Source)。

        在reset信号无效后,数据源将sink_valide置为高有效,向FFT通知在输入端至少有N个复数据样点可以输入。FFT函数将sink_ready信号置高电平,表明有能力接收这些输入信号。当sink_ready(FFT核发出的)和sink_valide同时有效时,传输开始。数据源加载第一个复数据样点到FFT函数中,同时将sink_sop(start)信号置高电平,表示输入模块的开始,在下一个时钟周期,sink_sop信号被复位,并以自然顺序加载数据样点;当最后一个数据输入后,sink_eop 被置为有效 ,sink_valid仍处于有效,并完成这一帧数据的传输。然后在下一个时钟将sink_sop置为有效,并重复上一过程。

        sink_sop必须与sink_valid同时有效并且是一个周期,否则相对于sink_valid滞后的话source _error 出现01错误,查手册发现是valid goes high, but there is no start of frame。sink_sop滞后多少周期01就出现多少周期。

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