基于Vivado HLS的高效FFT IP核设计与测试

本文主要探讨了如何利用Xilinx公司的高级综合工具Vivado HLS进行高效的1024点快速傅立叶变换（FFT）IP核设计，并结合具体应用实例，实现了音频信号的频谱分析功能。作者张俊涛、付芳琪和曹梦娜来自陕西科技大学电气与信息工程学院，他们针对FFT算法的复杂计算进行了深入研究。 首先，论文介绍了使用MATLAB生成FFT算法中的两个关键因子——蝴蝶运算符（Twiddle Factors）。这些因子在FFT算法中起到关键作用，决定了变换的性能。作者将MATLAB生成的算法转换为C语言，以便更好地融入到IP核心的设计中。 接下来，作者对C语言编写的FFT算法进行了两次优化。通过HLS工具，他们不仅关注了延迟时间的缩短，还对逻辑单元（LUTs）资源进行了有效利用。相较于原始设计，优化后的IP核在延迟方面节省了约19%至40%，LUT资源节省了约18.5%。这表明该方法在保持算法精度的同时，显著提高了硬件效率。 文章的核心部分是设计和实现了一个音频频谱显示测试系统，用于验证FFT IP核的功能。通过这个系统，可以直接对输入的音频信号进行实时的频谱分析，展示了FFT IP核在实际应用中的有效性。 关键词包括“高级综合”（High-Level Synthesis）、“快速傅立叶变换”（Fast Fourier Transform, FFT）、“IP核”（ Intellectual Property Core）、“设计”以及“频谱分析”和“测试”，这些都是本文研究和实践的核心要素。 总结来说，这篇文章提供了Vivado HLS工具在设计高性能FFT IP核方面的实用策略，以及如何将其应用于实际音频信号处理系统，这对于从事数字信号处理和嵌入式系统开发的工程师具有很高的参考价值。通过阅读这篇文章，读者可以了解到如何利用高级软件工具进行硬件加速，同时还能提升设计的灵活性和效率。