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  • FFT ip核

    2020-08-24 15:21:27
    在VIVADO中建立一个FFT核,只要依下图步骤就可以开始配置一个FFT核: 需要配置的参数有三个标签页,需要一一配置 第一个标签页里主要配置通道数,点数,时钟,吞吐量,结构,以及是否可以运行时配置,需要注意的是...
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  • 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...

    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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  • vivado FFT IP核中文翻译版本,是有道翻译的版本。Fast Fourier Transform v9.1
  • Xilinx FPGA FFT IP核完整的Vivado工程,用于实现FFT算法,可直接进行波形仿真,测试过没问题,另外还包含matlab仿真文件,时序波形仿真结果和matlab结果一致。
  • 最近在忙着仿真FFT IP核,正好在使用FFT IP核的过程中要接触到AXI4-Stream协议。就在这里合并一起讲了吧。本文涉及FFT IP核的控制,AXI4-Stream协议,FFT的部分基础知识。FFT IP核的设置这里做最简单的设置,打开...

    a96b36451e7ff714fa9bffbecb5bdddf.png

    最近在忙着仿真FFT IP核,正好在使用FFT IP核的过程中要接触到AXI4-Stream协议。就在这里合并一起讲了吧。本文涉及FFT IP核的控制,AXI4-Stream协议,FFT的部分基础知识。

    FFT IP核的设置

    这里做最简单的设置,打开Vivado,点开IP Catalog,找到FFT IP核。设置界面如下:
    b637503d48ccb849d46aebb877a55de7.pngConfiguration 设置
    设置的参数意义如下:
    • Numbers of Channels: 通道数,FFT IP核可以设置多个数据通道,进行多路FFT操作
    • Transform Length: 传输的数据长度,就是FFT中的点数,决定输出的频谱分辨率
    • Architecture Configuration:如果Architecture Choice选择Automatically Select,IP核会根据你填的时钟频率和数据吞吐量选择适合的架构
    a59fcc874002abacf797d153281035ca.pngImplementation
    设置的参数意义如下:
    • Data Format: 数据格式,定点数或浮点数,浮点数不能使用多个通道同时进行FFT操作
    • Scaling Options: 对输出的数据进行等比例缩小,如果选Scaled,则在控制IP核时需要设置缩小比例,详情见: 资料1
    • Input Data Width:输入数据位宽,这里只用输入I,Q一路的位宽,不需要输入组合起来的位宽
    • Phase Factor Width:因为进行FFT 操作涉及乘加操作,肯定会有精度损失,这里可以设置一个合适的值平衡精度和面积的要求。
    • 控制信号:时钟使能跟复位信号,复位信号拉低最少要保持两个时钟周期。
    • Output Ordering: Natural Order输出的频谱数据还要做fftshift,这个跟fft算法流程有关系
    • Optional Output Fields: 输出的索引信号和overflow信号,勾选后这些信息会跟频谱数据一起输出
    1f8605f63de8057bec10617ca7a3e846.pngDetail Implementation
    直接默认跳过。IP核生成后可以看到有很多信号,这些信号代表的意义又是怎么样的。可以在IP核设置界面的左侧Implementation Detail看到下图内容
    a265433bfb7a212ed68ca8312c66bc92.png
    从图中可以看出:
    • Output Data Width: 输出数据的位宽,当然也是I,Q一路信号的位宽
    • S_AXIS_DATA_TDATA: 这是把时域信号往FFT IP核传输的数据通道,通过图中可以看到,57:32传输Q路信号,25:0传输I路信号。
    b51144cd2e19c2a9bc88c844c20526c9.png
    • S_AXIS_CONFIG_TDATA:  这是对FFT IP核设置参数内容;图中很明显告知,16:1传输SCALE_SCH信号,这个信号决定输出的数据等比例缩小多少倍,具体参数设置可以看: 资料1的内容;0位传输的控制信号,为1时IP核做FFT运算,为0时做IFFT运算。
    • M_AXIS_DATA_TDATA: 这是FFT输出的频谱数据,从图中可以看到,57:32对应的是虚部数据,25:0对应的是实部数据。
    acd994c8bce9af0f7e52d4f3a458ec0f.png
    • M_AXIS_DATA_TUSER: 这个信号根据图中可知,传输的是输出频谱的索引,有一定的作用。这里输出的具体内容根据上述的FFT IP核设置决定
    1e35f395554c774d4c4e621b466e3727.png大概的运算时间
    这些信号其实都是AXI4-Stream的相关信号

    AXI4-Stream协议

    (PCIE学习应用教程)2.AXI4-Lite协议简明学习笔记 介绍了AXI4-Lite内容,AXI4-Stream也遵循了TVALID,TREADY的握手机制,全局信号内容等内容,这部分内容可以回顾之前的文章。除了AXI4-Lite的信号,AXI4-Stream还增加了以下信号:
    • TKEEP:指示信号,指明当前数据数据类型,发送数据方控制该信号;为低电平表明对应字节数据是空字节,可以移除;与TSTRB一同发挥作用,两个信号都是可选非必需信号当去掉TKEEP信号,TKEEP视作全高电平当去掉TSTRB信号,TSTRB的值等同TKEEP两个信号都被选择后作用如下图:
      3af32a125b62646931e0840c815eebc3.png
    • TLAST:指示信号,指明当前是最后一次数据传输,发送数据方控制该信号;只有在最后一次数据传输时该信号会拉高一次,信号一直拉高表明数据都是独立的而不是来自同一个数据包,可选非必需信号;发送方(Master)不要求一定要支持该信号接受方(Slave)的该信号固定为低电平
    • TID: 指示信号,指明当前数据流的ID,标明不同的数据流,发送数据方控制该信号,可选非必需信号,内容见TLAST;
    • TDEST:指示信号,提供数据流的路由信息,发送数据方控制该信号,可选非必需信号,内容见TLAST;
    • TUSER:可以自定义的数据信息,发送方跟接收方协商好,数据内容根据双方协商确定,起传输辅助信息内容,发送数据方控制该信号,并且跟随发送方的数据流一同发送,双方的TUSER数据位宽确定规则如下:MIN(MAX[TUSER bits per byte of masters], MAX[TUSER bits per byte of slaves])
    • TREADY,TDATA也是可选非必需信号;去掉TREADY信号,TREADY视作为高电平;去掉TDATA,TSTRB也被视作去掉
    而在FFT IP核中,一共出现了下列信号:
    • s_axis_data: FFT IP核的时域数据输入通道,这个传输过程中,FFT IP核作为接收方(Slave)
    • s_axis_config: FFT IP核的配置数据输入通道,这个传输过程中,FFT IP核作为接收方(Slave)
    • m_axis_data: FFT IP核的频谱数据输出通道,这个传输过程中,FFT IP核作为发送方(Master)
    而且,s_axis_config只使用了TDATA,TREADY,TVALID; s_axis_data使用了TDATA,TREADY,TVALID, TLAST; m_axis_data使用TDATA,TREADY,TVALID, TLAST, TUSER;相对来说控制并不复杂;FFT IP核的控制流程如下:
    1. 配置好s_axis_config_tdata, s_axis_config_tready跟s_axis_config_tvalid握手(都为高)后,配置数据传入;
    2. 等待s_axis_data_tready和s_axis_data_tvalid拉高,通过s_axis_data_tdata传入数据至FFT IP核,等到最后一次数据传输,同时拉高s_axis_data_tlast;
    3. 等待m_axis_data_tvalid和m_axis_data_tready拉高,接收m_axis_data_tdata的数据,m_axis_data_tuser的数据是频谱数据的索引,根据这个索引可以知道当前频谱数据的位置;等到m_axis_data_tlast拉高,数据传输结束。
    最终结果图:
    7818b904438da7b2a777af5b5fd6d5d0.png
    4e313513e9dddb018a1580dbb3b1a3e2.png
    参考资料:
    1. PG109-xfft.pdf
    2. IHI0051A_amba4_axi4_stream_v1_0_protocol_spec.pdf
    欢迎点赞留言,一起探讨这令人头秃的电子关注公众号回复112获取本文所用的参考资料
    (探讨滤波器)3.自适应滤波-LMS算法的FPGA实现使用VCS观察Verilog二维数组仿真值的方法(探讨滤波器)2.手把手用Verilog实现FIR滤波器,非IP核
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  • FPGA FFT ip核仿真教程

    2016-01-04 10:06:30
    ISE下FPGA FFT ip核的建立及仿真教程。
  • Xilinx vivado FFT IP核v9.0官方手册 pg109
  • VIVADO(VHDL语言) FFT IP核简单使用、8点FFT的实现一、VIVADO FFT IP核的调用、配置和生成二、个人配置示例三、个人对IP核的使用,以及引脚含义的理解四、收获仿真 一、VIVADO FFT IP核的调用、配置和生成 点击...

    一、VIVADO FFT IP核的调用、配置和生成

    1. 点击IP Catalog查找到vivado的fft IP核Fast Fourier Transform,双击进入配置界面。
      在这里插入图片描述

    2. 界面介绍,主要分为两大块,左边区域为IP核整体信息介绍部分,右边为详细配置部分。按照自己需求进行配置后可查看左边生成的IP核信息。具体的IP核配置界面介绍和参数分析可查看以下链接中大佬们阐述的内容。
      在这里插入图片描述
      !!!!!!☟☟☟不懂必看系列☟☟☟!!!!!!
      vivado 的IFFT/FFT IP核的配置及调用
      Vivado中FFT9.1 IP核的使用(1)

    看完上面的链接后,可根据自己需求配置IP核
    这里有三个需要注意的点:
    ①:时钟要设置正确,并且仿真或者硬件输入要匹配。如果硬件输入时钟与你的FFT IP核时钟不一致,可以使用MMCM时钟IP核进行转换。仿真时也要记得给对正确的时钟。
    ②:FFT IP核的复位引脚(ARESETn)最好使用,怎么使用?–把时钟IP核输出的locked引脚赋给FFT的复位引脚,并且在locked引脚为低时给FFT IP核一系列输入引脚均赋予初值。时钟IP核locked引脚代表意义:时钟IP核输出的时钟是否稳定有效,低时不稳定,高时表明时钟IP核输出时钟稳定
    ③:FFT IP核的输出模式,依据自己需要进行选择,默认为倒序输出,一般选择为自然输出。

    二、个人配置示例

    还有什么对FFT IP核不懂的均可直接查看官方数据手册,毕竟官方的东西就是牛逼!!
    网上找不到可以进入赛灵思官网,搜索pg109。那里有你最需要的东西!!

    以我调用的FFT IP核配置供大家参考,我定义的FFT IP核时钟为10MHZ,数据通道个数为1,变换点数N=8,输入数据为16位定点可截断数据,并使用了复位引脚(ARESETn),输出模式为自然输出模式(Natural Output),以下是配置截图。

    在这里插入图片描述
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    三、个人对IP核的使用,以及引脚含义的理解

    • 首先从FFT IP核引脚分布来分析,大约可分为五大块
      ①:寄存器配置部分(S_AXIS_CONFIG):它包含三个引脚,分别为TDATA,TREADY,TVALID。配置信息包含在tdata里面,tdata的位宽以及位定义在你配置好IP核后就已经确定,查看IP核信息部分中的IP Symbol栏即可按照正确配置方式在代码中进行寄存器配置。tready,tvaild两兄弟的作用可参考上面链接中详细阐述。

    在这里插入图片描述
    ②:输入数据部分(S_AXIS_DATA):四个引脚TDATA,TREADY,TVALID,TLAST。首先说的是S_AXIS_DATA_TDATA的位宽是你配置FFT IP核时输入数据位宽的两倍,同样位定义可以在IP Symbol查看,为什么是两倍?因为FFT IP核既可以做顺序运算也可做逆运算→也就是IFFT,意思就是给你准备了虚数部分的位定义。S_AXIS_DATA_TDATA低位为实数部分,高位为虚数部分。在哪里配置?在S_AXIS_CONFIG_TDATA里面配置。TREADY,TVALID两兄弟不说了,TLAST是起到一个输入数据末端指示作用,比如你作8点FFT运算,你要给8个数据给IP核吧,在最后一个数据期间你把TLAST拉高就行了,意思是告诉IP核,这一组的8个数据都给你带过来了,这是最后一个。IP核一验算,整整齐齐8个,就不会找你麻烦了。
    ③:输出数据部分(M_AXIS_DATA):输出和输入差不多,使用时将M_AXIS_DATA_TREADY一直拉高即可。
    ④:时钟和复位(aclk/aresetn):时钟和复位正常使用,注意事项上面(一、2、②)已经阐述,遇到问题可参考。
    ⑤:事件报告部分总共七个引脚,具体含义可直接查看手册,一般高有效,主要报告芯片工作状态以及出错情况。

    在这里插入图片描述

    • FFT IP核使用说明及注意事项
      ①:**关于复位引脚的使用,建议大家都用上,保证电路稳点可靠。**如上面(一、2、②)所说,复位引脚可使用时钟IP核输出引脚locked作为复位信号,locked为低时,可以使FFT IP核复位;为高时,时钟输出稳定,并且FFT IP核也正常运行。至于赋FFT IP核输入信号的初值,也可以在locked为低时赋值,这样保证输入信号也达到一个初始化的稳定状态。
      ②:FFT IP核输入数据赋值:当IP核的S_AXIS_DATA_TREADY引脚拉高时,表示核本身已经准备好接收数据,这时,你把S_AXIS_DATA_TDATA拉高N个时钟周期来传N个数据,并同时在每个时钟里都塞入数据,到达数据输入终点时的最后一个数据传输时钟里将S_AXIS_DATA_TDATA拉高一个时钟周期,即完成数据输入。
      ③:始终均可拉高的引脚:S_AXIS_CONFIG_TVALID,S_AXIS_DATA_TREADY。别问,问就是不知道。

    四、收获仿真

    • 我的是8个点的FFT IP核,输入数据简单点,就弄了序列X=[1,2,3,4,5,6,7,8];
      matlab的fft数据如下:

    在这里插入图片描述

    • 我的仿真结果如下:
      输入为8点数据,分别为1-8,使用的是ROM IP核输出的,有关ROM IP核的使用请自行学习,也很简单哦!
      输出自然也为8点,我的FFT IP核输出的是32位数据,低16位为实部,高16位为实部,程序中我已分开输出。
      整体波形
      重点:FFT输入数据波形
      重点:FFT输入、输出数据波形
      ![重点:real_out:输出数据实部、imag_out:输出数据虚部

    五、总结

    • 关于实现代码:希望大家都能从理论上论证学习再到实操实践,自己动手远比拿着别人的结果看一看会收获得多。这里附上vivado VHDL语言的工程文件,有需要的可以下载!
      VIVADO VHDL 8点FFT的简单实现project文件
    • 此文章介绍的FFT IP核内容有限,还不够详细!帮助自己总结,也希望能稍微帮到你们一点,网上论坛和博客中均含有使用FFT IP核的类似文章,我也是一边看网上实操加上看官网提供的IP核数据手册-pg109(这玩意是最准确有效的法宝)才慢慢摸索出来的,不是很难,但也绝非容易。
    • 再强调一下,迷茫的时候大家根据需求多看数据手册,看懂了就没太大问题了。
    • 怕大家没看到,这两篇链接再放出来一下,很好的文章。
      vivado 的IFFT/FFT IP核的配置及调用
      Vivado中FFT9.1 IP核的使用(1)
    • 最后,欢迎大家指正讨论!哔哔完*&……¥撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿!
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  • Xilinx FFT ip核使用例程

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  • VIVADO FFT IP核配置以及端口说明

    千次阅读 2020-04-27 16:37:37
    (以下内容均是在学习了别人博客后,自己小结出来的) 原文链接1:https://blog.csdn.net/FPGADesigner/article/details/80694673 ...#FFT IP核配置说明 第一个选项是同时进行几路数据流并行。 第二个选项是变换的...
  • 最近在忙着仿真FFT IP核,正好在使用FFT IP核的过程中要接触到AXI4-Stream协议。就在这里合并一起讲了吧。本文涉及FFT IP核的控制,AXI4-Stream协议,FFT的部分基础知识。FFT IP核的设置这里做最简单的设置,打开...
  • 引言:FFT(快速傅里叶变换)在雷达...本文作为开篇,介绍以下内容:Xilinx FFT IP核的特性Xilinx FFT IP核输入输出接口介绍1.Xilinx FFT IP核特性图1、Xilinx FFT IP核Xilinx®LogiCORE™ IP快速傅立叶变换(FFT...
  • 引言:本文我们继续介绍Xilinx FFT IP核,主要对IP核的接口进行详细说明,并对IP核信号各个通道接口数据格式进行详细介绍,方便我们进行FPGA软件设计。本文介绍以下接口信号: 时钟信号 复位信号 事件信号 AXI4-...
  • 编译 ...Modelsim输出的数据测试可以和matlab example里面matlab输出的数据进行对比,对比结果如下,结果表明与matlab输出的处理结果一致,验证了FFT IP核的正确性。 大西瓜FPGA-->...
  • Vivado Xilinx FFT IP核v9.0 使用详解(附仿真实例) 前几天我导让我研究研究在FPGA上做FFT,作为一个迈进FPGA大门的小白,摸索之旅相当艰难~,现把学习FFT IP核的过程记录下来,为各位同胞提供参考。 一 傅里叶变换...

空空如也

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