Quartus II 與ModelSim-Altera聯合模擬FFT IP核之FFT IP核分析

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FFT IP Core Features

 

 

參數設定

FFT IP核有4種模式，分別為：

• 高載模式(Burst)；
• 緩衝高載模式(Buffered Burst)；
• 流模式(Streaming)；
• 可變流模式(Variable Streaming)；

    前3中模式運算速度依次增大，佔用資源也依次增加，第4種模式(Variable Streaming)可以用於線上改變FFT的大小。速度和流模式差不多，資源佔用更多。

分為基本配置和進階配置兩種，基本配置包括配置FFT ip核的變換長度，FFT還是IFFT，資料模式，輸入、輸出的順序。資料精度等。進階配置包括FFT的結構，FFT的引擎數。

Tansform：

Length：是FFT的變換長度，只能選擇指定長度，不能自訂。

Direction：指定該IP核完成的是FFT變換還是使用者可控制的FFT變換或IFFT變換。

I/O：

Data Flow：選擇輸入資料流的方式，共有4中方式，突發(Burst)、緩衝突發(BufferedBurst)、流模式(Streaming)、可變長度流模式(Variable Streaming)，其中前3種方式運算速度依次增加，消耗的資源也依次增加，第4種方式允許使用者改變FFT的變換長度，速度和流模式(Streaming)差不多，但消耗更多資源。

Input Otder：輸入資料的順序

Output Order：輸出資料的順序

Data and Twiddle:

Representation：資料資料的結構，有三種分別是：

• Block Floating（塊浮點）；
• Fixed Point(定點)；
• Single Floating Point（單浮點）；

Fixed Point和Single Floating Point這兩種方式只能用於可變流模式（Variable Streaming），對於突發（Burst）、緩衝突發（Buffered Burst）、流模式（Streaming）這三種方式來說只能用（塊浮點）Block Floating。塊浮點就是在資料的一幀資料中有一個共同的縮放因子，這同時也帶來了一個問題，當一幀資料中有大有小的時候，共用一個縮放因子會造成小數（比較小的數）誤差增大。

• 定點：小數點的位置確定；
• 浮點：小數點的位置不確定，浮點數轉換成位元存放的準則：如20.25，轉換成二進位並歸一化：10100.01=1.010001*2^4；用32位浮點表示 [31] 1位符號 [30-23]8位指數 [22-00]23位小數：0 00000100 00000000000000000010001
• 塊浮點：一個資料區塊的資料共用一個指數。例如一個資料區塊有6個資料，則開7個空間，前六個放資料，後一個放指數；指數用的是此資料區塊中最大值歸一化後的指數，其餘5個數按此指數存放位元；

 

Data Input Width：輸入資料的資料寬度

Twiddle Width：旋轉因子的資料寬度，旋轉因子的資料寬度不能大於輸入資料的資料寬度

Data Output Width:：輸出資料的資料寬度，FFT的計算結果是輸出的實部和虛部與縮放因子(EXP)的結合，縮放因子為負表示，輸出資料需要左移（增大），為正則右移，輸出的實部和虛部，縮放因子都是有符號數，這點需要注意。

Latency Estimaters:

• Calculation：計算的延遲
• Throughput Latency：處理延遲

進階設定一共有兩個選擇，一個是選擇運算的結構，一個是選擇FFT的引擎數。

運算結構有兩種：Single Output（單輸出）和Qaud Output（四輸出），單輸出一個刻度只計算一個FFT的蝶形運算，四輸出一個周期計算4個基4的蝶形運算。

FFT的引擎數越多，計算速度越快，當然也消耗更多的資源。預設是四輸出，一個FFT引擎，預設設定即可。

 

設定完參數後即可點擊Generate HDL來產生HDL檔案（綜合檔案和模擬檔案）。

介面訊號資訊

一個時鐘，時鐘就是FFT ip核運算的時鐘；

一個複位，reset_n是FFT ip核複位訊號，低電平有效，複位的時候sink_ready訊號一直為低（無效）；

一個FFT/IFFT控制線，inverser設定FFT變換還是IFFT變換，低電平表示FFT，高電平表示IFFT。一個sink，一個source 。

sink訊號：

• sink_valid：輸入到FFT，輸入資料有效訊號，在輸入資料期間要保持有效；
• sink_sop：輸入到FFT，輸入資料起始訊號，與第一個資料對齊，只需保持一個刻度即可；
• sink_eop：輸入到FFT，輸入資料結束訊號，與最後一個資料對齊，只需保持一個刻度；
• sink_ready： FFT輸出，輸入準備好訊號，此訊號為高表示可輸入變換資料，否則不要輸入變換資料；
• sink_error：輸入到FFT，輸入錯誤訊號，置0即可；
• sink_real：輸入到FFT，輸入的實部訊號；
• sink_imag：輸入到FFT，輸入的虛部訊號；

 

Source訊號：

• source_valid：FFT輸出，輸出有效訊號，FFT變換完成後，此訊號置高，開始輸出資料；
• source_ready：輸入到FFT，輸出資料準備好訊號，置1即可；
• source_error：FFT輸出，輸出錯誤訊號,若輸入的資料格式有誤，則不進行FFT變換，並給出錯誤值，根據錯誤值可查看手冊，確定是輸入資料怎麼錯了；
• source_sop：FFT輸出，輸出資料起始訊號，與輸出的第一個資料對齊；
• source_eop：FFT輸出，輸出資料的終止訊號，與輸出的最後一個資料對齊；
• source_real：FFT輸出，輸出資料的實部；
• source_imag：FFT輸出，輸出資料的虛部；
• source_exp：FFT輸出，資料的縮放因子；

輸出資料格式

Source_exp的輸出範圍

 

註：

• FFT IP核的輸入資料和輸出資料，縮放因子都是有符號數；
• 實際運算的結果是實部和虛部與縮放因子的結合，若縮放因子為負，實部和虛部要左移相應的位元，若為正則右移，例如：縮放因子寬度為6，二進位值為101011，該值為有符號數，表示-21，則實部和虛部需要左移21位才是最終結果；
• 若是FFT逆變換，只需要把inverser置1即可；

 

Burst介面時序

Streaming介面時序

    流I/O資料流結構允許輸入資料連續處理，並輸出連續的複數資料流。這個過程不需要停止FFT函數資料流的進出。

    注意：在每一幀資料轉送時要注意sink_valide、sink_ready，inverse要同sink_sop同步。

當完成資料轉換後，FFT模組將source_valid置為有效，並以自然順序輸出變換域的資料，FFT模組輸出source_sop表示第一個有效資料的輸出。在N個資料（一幀）都變換結束之後即 N個時鐘後，FFT模組將source_eop置為有效表示輸出資料的結束。輸出時序圖如下。

 

    FFT兆核函數採用Altera Atlantic介面I/0協議，輸入介面為主裝置匯端(Master Sink)而輸出介面為主裝置源端(Master Source)。

    在reset訊號無效後，資料來源將sink_valide置為高有效，向FFT通知在輸入端至少有N個複資料樣點可以輸入。FFT函數將sink_ready訊號置高電平，表明有能力接收這些輸入訊號。當sink_ready（FFT核發出的）和sink_valide同時有效時，傳輸開始。資料來源載入第一個複資料樣點到FFT函數中，同時將sink_sop（start）訊號置高電平，表示輸入模組的開始，在下一個刻度，sink_sop訊號被複位，並以自然順序載入資料樣點；當最後一個資料輸入後，sink_eop 被置為有效 ，sink_valid仍處於有效，並完成這一幀資料的傳輸。然後在下一個時鐘將sink_sop置為有效，並重複上一過程。

    sink_sop必須與sink_valid同時有效並且是一個周期，否則相對於sink_valid滯後的話source _error 出現01錯誤，查手冊發現是valid goes high, but there is no start of frame。sink_sop滯後多少周期01就出現多少周期。

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