FPGA Fixed-Point FFT

基于 Verilog 的多架构定点 FFT 处理器实现，覆盖 32/128 点，支持仿真验证与 FPGA 上板。目标平台 Xilinx Artix-7 (XC7A100T)，纯手写 RTL，未使用任何厂商 FFT IP。

架构总览

目录	架构	点数	吞吐率	DSP	特点
F4T_Legacy	Radix-2 DIF (原位)	32 / 128	1 samp/clk	~16	入门实现，教学用
F4T_SDF / F4T_SDF_2	SDF 单路延迟反馈	128	1 samp/clk	~8	低资源、流水线
F4T_MDF	MDF 4 路并行	32 / 128	4 samp/clk	~32	高吞吐、上板验证
F4T_FullPar32	全并行	32	32 samp/clk	~144	最低延迟 (15 clk)
F4T_FullPar128	全并行	128	128 samp/clk	>800	仿真验证 (超 DSP 容量)

共通设计规格

• 数据格式: Q3.12 定点 (16-bit, [-8, 7.9997])
• 旋转因子: Q1.15 定点 (16-bit)
• 缩放策略: 每级右移 1 bit，输出幅度 = 真实幅度 / N
• 输出顺序: 位反转序 (Bit-Reversed Order)
• 复数乘法: 伪 IP 核优化，特殊旋转因子零 DSP 消耗

快速上手

环境要求

• Vivado 2020.2+
• MATLAB (用于重新生成测试向量，可选)

仿真 (以 MDF 为例)

1. 将 fixed_pkg.vh 中的 DATA_ROOT 修改为本机 data/ 目录的绝对路径
2. 在 Vivado Tcl Console 中：

cd <repo_path>/F4T_MDF/scripts
source create_vivado_projects.tcl

3. 或直接使用 Tcl 脚本运行 CLI 仿真：

cd <repo_path>/F4T_MDF/sim
source run_xsim_128_all.tcl   ;# 128 点全模式回归

上板 (以 FullPar32 为例)

cd <repo_path>/F4T_FullPar32/src/scripts
source create_project_32.tcl

生成 Bitstream 后下载到开发板，ILA 触发条件设为 start_btn。

目录结构

FPGA_Fixed_FFT/
├── F4T_Legacy/          # Radix-2 DIF 原位 FFT
│   ├── src/verilog/     # RTL 源码
│   ├── tb/              # 测试平台
│   ├── scripts/         # 自动验证脚本
│   └── sim_data/        # 仿真数据
├── F4T_SDF/             # SDF v1 (含 Vivado 工程)
├── F4T_SDF_2/           # SDF v2 (重构版)
│   ├── src/rtl/         # RTL 源码
│   ├── src/tb/          # 测试平台
│   ├── src/constraint/  # FPGA 约束
│   └── data/            # 仿真数据
├── F4T_MDF/             # MDF 4 路并行
│   ├── rtl/             # RTL 源码
│   ├── tb/              # 测试平台
│   ├── scripts/         # 工程创建脚本
│   └── data/            # 仿真数据
├── F4T_FullPar32/       # 32 点全并行
├── F4T_FullPar128/      # 128 点全并行
├── F4T_FullPar/         # 全并行 (合并工程)
└── doc/                 # 设计文档

综合结果 (XC7A100T, 100 MHz)

架构	点数	LUT	FF	DSP	WNS (ns)	功耗 (W)
FullPar	32	7,549	5,408	144	+0.119	0.614
MDF	32	3,682	2,944	32	-	-
MDF	128	14,296	11,776	128	-	-
SDF	128	1,802	1,472	8	-	-

128 点全并行所需 DSP (>800) 超出 XC7A100T 容量 (240)，仅仿真验证。

验证方法

每个架构均包含 MATLAB 参考数据生成器和自动对比测试平台：

1. MATLAB 脚本生成激励和参考结果 (.hex)
2. Testbench 读取数据驱动 DUT
3. 自动将 FFT 输出与 MATLAB 参考逐点对比
4. Tcl Console 输出 PASSED / FAILED 及误差统计

合作者

skyswordx (circLΣMoon)，Triwalt

License

MIT