【正点原子FPGA连载】第五十一章 基于FFT IP核的音频频谱仪实验--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

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第五十一章 基于FFT IP核的音频频谱仪实验

FFT的英文全称是Fast Fourier Transformation， 即快速傅里叶变换， 它是根据离散傅里叶变换（DFT） 的奇、 偶、 虚、 实等特性， 在离散傅里叶变换的基础上改进得到的。 FFT主要用于频谱分析,可以将时域信号转化为频域信号， 在滤波、 图象处理和数据压缩等领域具有
普遍应用。 本章我们将使用Quartus II软件自带的FFT IP核来分析音频信号的频谱， 作为一个简单的例程， 向大家介绍Altera FFT IP核的使用方法。
本章包括以下几个部分：
51.1 FFT IP 核简介
51.2 实验任务
51.3 硬件设计
51.4 程序设计
51.5 下载验证
51.1 FFT IP核简介
首先， 我们简单介绍下FFT： FFT即快速傅里叶变换， 是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。 采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换（DFT） 所需要的乘法次数大为减少， 被变换的抽样点数N越多， FFT算法计算量的节省就越显著。FFT可以将一个时域信号变换到频域。 因为有些信号在时域上是很难看出什么特征的， 但是如果变换到频域之后， 就很容易看出特征了， 这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。 另外， FFT可以将一个信号的频谱提取出来， 这在频谱分析方面也是经常用的。 简而言之， FFT就是将一个信号从时域变换到频域方便我们分析处理。 在实际应用中， 一般的处理过程是先对一个信号在时域进行采集， 比如我们通过ADC， 按照一定大小采样频率F去采集信号， 采集N个点， 那么通过对这N个点进行FFT运算， 就可以得到这个信号的频谱特性。这里还涉及到一个采样定理的概念： 在进行模拟/数字信号的转换过程中， 当采样频率F大于信号中最高频率fmax的2倍时(F>2*fmax)， 采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息， 采样定理又称奈奎斯特定理。 举个简单的例子： 比如我们正常人发声， 频率范围一般在8KHz以内， 那么我们要通过采样之后的数据来恢复声音， 我们的采样频率必须为8KHz的2倍
以上， 也就是必须大于16KHz才行。模拟信号经过ADC采样之后， 就变成了数字信号， 采样得到的数字信号， 就可以做FFT变换了。 N个采样点数据， 在经过FFT之后， 就可以得到N个点的FFT结果。 为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。假设采样频率为F， 对一个信号采样， 采样点数为N， 那么FFT之后结果就是一个N点的复数，每一个点就对应着一个频率点（以基波频率为单位递增）， 这个点的模值（sqrt(实部2+虚部2)）就是该频点频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢？ 假设原始信号的峰值为A， 那么FFT的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外） 的模值就是A的N/2倍， 而第一个点就是直流分量， 它的模值就是直流分量的N倍。这里还有个基波频率， 也叫频率分辨率的概念， 就是如果我们按照F的采样频率去采集一个信号， 一共采集N个点， 那么基波频率（频率分辨率） 就是fk=F/N。 这样， 第n个点对应信号
频率为： F*(n-1)/N； 其中n≥1， 当n=1时为直流分量。 关于FFT我们就介绍到这。 如果我们要自己实现FFT算法， 对于不懂数字信号处理的朋友来说， 是比较难的。 不过， Quartus II提供的IP核里面就有FFT IP核可以给我们使用， 因此我们只需要知道如何使用这个IP核， 就可以迅
速的完成FFT计算， 而不需要自己学习数字信号处理， 去编写代码了， 大大方便了我们的开发。
51.2 实验任务
本节实验任务是先将电脑或手机的音乐通过开拓者开发板上的WM8978器件输给FPGA， 然后使用Altera FFT IP核分析WM8978输出的音频信号的频谱， 并将采样点的幅度特性显示到4.3寸RGB TFT-LCD上。
51.3 硬件设计
音频WM8978接口部分的硬件设计与“音频环回实验” 完全相同， 请参考“音频环回实验”中的硬件设计部分。 RGB TFT-LCD接口部分的硬件设计请参考“RGB TFT-LCD彩条显示实验” 中的硬件设计部分。由于WM8978接口和RGB TFT-LCD引脚数目较多且在前面相应的章节中已经给出它们的管脚
列表， 这里不再列出管脚分配。
51.4 程序设计
图 51.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。 首先， WM8978模块通过控制接口配置WM8978相关的寄存器。 WM8978在接收电脑传来的音频数据后， 将一路音频数据送给喇叭播放，将另一路经ADC采集过的数据送给WM8978模块。WM8978模块紧接着将音频数据送给FFT模块做频
谱分析， 得到频谱幅度数据。 LCD模块则负责读取频谱幅度数据， 并在RGB TFT-LCD上显示频谱。

图 51.4.1 IP核之FFT实验系统框图

程序中各模块端口及信号连接如图 51.4.2所示：

图 51.4.2 模块连接图

FPGA顶层（FFT_audio_lcd） 例化了以下四个模块： pll时钟模块（pll） 、 wm8978模块（wm8978_ctrl） 、 FFT模块（FFT_top） 、 LCD模块（LCD_top） 。pll时钟模块（pll） ： 本实验中WM8978模块所需要的时钟为12MHz， FFT模块的驱动时钟为50MHz， 另外LCD模块需要50Mhz的时钟来处理、 缓存FFT模块输出的数据， 并在10MHz的驱动时钟下驱动RGB TFT-LCD显示。 因此需要一个PLL模块用于产生系统各个模块所需的时钟频率。wm8978模块（wm8978_ctrl） ： WM8978控制模块主要完成WM8978的配置和WM8978接收的录音音频数据的接收处理， 以及FPGA发送的音频数据的发送处理。 该模块和“音频环回实验” 章节中用到的wm8978_ctrl模块为同一个模块， 本实验对该模块有少许更改， 我们会在后面进行讲解， 有关该模块的详细介绍请大家参考“音频环回实验” 章节。FFT模块（FFT_top） ： FFT模块将wm8978模块传输过来的音频信号进行缓存， 然后将其送给FFT IP核进行频谱分析。 接着计算FFT IP核输出复数的平方根， 即频谱的幅度值， 然后将其输出给LCD模块显示。LCD模块（LCD_top） ： LCD模块取FFT模块传输过来的一帧数据的一半（也就是64个数据）
进行缓存， 并驱动RGB TFT-LCD液晶屏显示频谱。
顶层模块的代码如下：
1 module FFT_audio_lcd(
2 input sys_clk,
3 input rst_n,
4 5
// WM8978接口
6 output aud_mclk,
7 input aud_bclk,
8 input aud_lrc,
9 input aud_adcdat,
10 output aud_dacdat,
11 output aud_scl,
12 inout aud_sda,
13
14 //LCD接口
15 output lcd_hs,
16 output lcd_vs,
17 output lcd_de,
18 output [15:0] lcd_rgb,
19 output lcd_bl,
20 output lcd_rst,
21 output lcd_pclk
22 );
23
24 //wire define
25 wire clk50M;
26 wire clk10M;
27
28 wire audio_valid;
29 wire [15:0] audio_data;
30
31 wire fft_sop;
32 wire fft_eop;
33 wire fft_valid;
34 wire [15:0] fft_data;
35
36 //*****************************************************
37 //** main code
38 //*****************************************************
39
40 //锁相环模块
41 pll pll_inst (
42 .inclk0 (sys_clk),
43
44 .c0 (aud_mclk),
45 .c1 (clk50M),
46 .c2 (clk10M)
47 );
48
49 //例化WM8978控制模块
50 wm8978_ctrl u_wm8978_ctrl(
51 .clk (clk50M),
52 .rst_n (rst_n),
53
54 .aud_bclk (aud_bclk), // WM8978位时钟
55 .aud_lrc (aud_lrc), // 对齐信号
56 .aud_adcdat (aud_adcdat), // 音频输入
57 .aud_dacdat (aud_dacdat), // 音频输出
58
59 .aud_scl (aud_scl), // WM8978的SCL信号
60 .aud_sda (aud_sda), // WM8978的SDA信号
61
62 .dac_data (audio_data), // 输出的音频数据
63 .adc_data (audio_data), // 输入的音频数据
64 .rx_done (audio_valid), // 一次接收完成
65 .tx_done () // 一次发送完成
66 );
67
68 //对输入的音频数据进行傅里叶变换
69 FFT_top FFT_u(
70 .clk_50m (clk50M),
71 .rst_n (rst_n),
72
73 .audio_clk (aud_bclk),
74 .audio_data (audio_data),
75 .audio_valid (audio_valid),
76
77 .data_modulus (fft_data),
78 .data_sop (fft_sop),
79 .data_eop (fft_eop),
80 .data_valid (fft_valid)
81 );
82
83 //RGB_LCD 显示模块
84 LCD_top LCD_u(
85 .clk50M (clk50M),
86 .clk10M (clk10M),
87 .rst_n (rst_n),
88
89 .lcd_hs (lcd_hs),
90 .lcd_vs (lcd_vs),
91 .lcd_de (lcd_de),
92 .lcd_rgb (lcd_rgb),
93 .lcd_bl (lcd_bl),
94 .lcd_rst (lcd_rst),
95 .lcd_pclk (lcd_pclk),
96
97 .fft_data (fft_data),
98 .fft_sop (fft_sop),
99 .fft_eop (fft_eop),
100 .fft_valid (fft_valid)
101 );
102
103 endmodule
顶层模块主要完成了对各个子模块的例化、 接收外部传输给FPGA的数据、 以及输出数据给外设。WM8978模块里例化了三个子模块： 音频接收模块（audio_receive） 、 音频发送模块（audio_send） 、 WM8978配置模块（wm8978_config） 。WM8978模块（wm8978_ctrl）只是在“音频环回实验”章节中的WM8978控制模块（wm8978_ctrl模块） 的基础上做了两处修改， 下面我们会说明作出修改的地方， 以及这么修改的原因。wm8978_ctrl模块的详细介绍， 还请查看“音频环回实验” 章节里相应的部分。
第一个要修改的地方是wm8978_ctrl模块内部一个常量的定义， 代码如下所示：
1 module wm8978_ctrl(
2 //system clock
3 input clk , // 时钟信号
4 input rst_n , // 复位信号
5 6
//wm8978 interface
7 //audio interface(master mode)
8 input aud_bclk , // WM8978位时钟
9 input aud_lrc , // 对齐信号
10 input aud_adcdat , // 音频输入
11 output aud_dacdat , // 音频输出
12 //control interface
13 output aud_scl , // WM8978的SCL信号
14 inout aud_sda , // WM8978的SDA信号
15
16 //user interface
17 input [31:0] dac_data , // 输出的音频数据
18 output [31:0] adc_data , // 录音的数据
19 output rx_done , // 一次采集完成
20 output tx_done // 一次发送完成
21 );
22
23 //parameter define
24 parameter WL = 6'd16; // word length音频字长定义
25
26 //*****************************************************
27 //** main code
28 //*****************************************************
……省略部分代码……
67 endmodule
我们在代码的第24行对音频字长做了修改， 将常量WL的值由32改为了16。 这是因为如果这里依然保持字长为32位， 那么后面FFT模块占用的资源将会比较大， 所以这里将字长修改为16位。第二个要修改地方的是音频接收模块（audio_receive） 内部， lrc_edge信号的定义。 代
码如下所示：
1 module audio_receive #(parameter WL = 6'd32) ( // WL(word length音频字长定义)
2 //system clock 50MHz
3 input rst_n , // 复位信号
4 5
//wm8978 interface
6 input aud_bclk , // WM8978位时钟
7 input aud_lrc , // 对齐信号
8 input aud_adcdat, // 音频输入
9 1
0 //user interface
11 output reg rx_done , // FPGA接收数据完成
12 output reg [31:0] adc_data // FPGA接收的数据
13 );
14
15 //reg define
16 reg aud_lrc_d0; // aud_lrc延迟一个时钟周期
17 reg [ 5:0] rx_cnt; // 发送数据计数
18 reg [31:0] adc_data_t; // 预输出的音频数据的暂存值
19
20 //wire define
21 wire lrc_edge ; // 边沿信号
22
23 //*****************************************************
24 //** main code
25 //*****************************************************
26
27 //assign lrc_edge = aud_lrc ^ aud_lrc_d0; // LRC信号的边沿检测
28 assign lrc_edge = aud_lrc & (~aud_lrc_d0); // LRC信号的边沿检测
29
……省略部分代码……
73 endmodule
第27行的代码是修改前lrc_edge信号的定义， 第28行代码则是修改后的信号定义， 这里将原来信号的双边沿检测， 修改为上升沿检测。 LRC信号的下降/上升沿将用于采集左/右两个通道的音频数据； 修改成上升沿检测之后， 程序只采集单个通道（右通道） 的音频。 这么做的原
因是如果我们同时采集两个通道的音频数据， 那么在通道切换的时候， 会给信号的频谱带来一个高频的噪声。接下来我们介绍FFT模块（FFT_top） 的相关内容。 FFT模块（FFT_top） 内部例化了4个模块： 音频数据缓存模块（audio_in_fifo） 、 FFT控制模块（fft_ctrl） 、 FFT IP核（FFT） 、数据取模模块（data_modulus） ， 模块结构如下所示：

图 51.4.3 FFT模块内部结构图

由图可知音频数据进入FFT模块（FFT_top） 后， 先经音频数据缓存模块（audio_in_fifo）缓存数据， 然后再将数据送给FFT IP核。 音频数据经FFT IP核处理后， 输出形式为复数的数据。紧接着复数数据经过数据取模模块（data_modulus）处理后得到复数的模值， 最后将模值从FFT
模块（FFT_top） 输出出去。音频数据缓存模块（audio_in_fifo） ： 音频数据缓存模块是一个fifo， 这里它的深度设置为64， 宽度为16bit。 它负责缓存WM8978模块传输过来的音频数据。 另外， 当FFT控制模块（fft_ctrl） 输出的读请求信号拉高时， 音频数据缓存模块会将缓存的数据输出给FFT IP核做频谱分析。FFT控制模块（fft_ctrl） ： FFT控制模块依据FFT IP核的数据输入时序原理， 产生数据传输的控制信号， 来驱动FFT IP核不断地进行FFT分析。FFT IP核（FFT） ： 这里直接例化Quartus II软件提供的FFT IP核， 我们只需按照IP核的数据传输时序， 将音频数据送给FFT IP核， 它会自动输出经过FFT分析后的复数数据。数据取模模块（data_modulus） ： 数据取模模块负责计算FFT IP核输出的复数的模值， 也就是这个频率点的幅度模值。FFT模块（FFT_top） 的代码如下所示， 它完成了各个子模块的例化以及信号交互：
1 module FFT_top(
2 input clk_50m,
3 input rst_n,
4 5
input audio_clk,
6 input audio_valid,
7 input [15:0] audio_data,
8 9
output data_sop,
10 output data_eop,
11 output data_valid,
12 output [15:0] data_modulus
13 );
14
15 //wire define
16 wire [15:0] audio_data_w;
17 wire fifo_rdreq;
18 wire fifo_rd_empty;
19
20 wire fft_rst_n;
21 wire fft_ready;
22 wire fft_sop;
23 wire fft_eop;
24 wire fft_valid;
25
26 wire source_sop;
27 wire source_eop;
28 wire source_valid;
29 wire [15:0] source_real;
30 wire [15:0] source_imag;
31
32 //*****************************************************
33 //** main code
34 //*****************************************************
35
36 //例化fifo， 缓存wm8978输出的音频数据
37 audio_in_fifo fifo_inst(
38 .aclr (~rst_n),
39
40 .wrclk (audio_clk),
41 .wrreq (audio_valid),
42 .data (audio_data),
43 .wrfull (),
44
45 .rdclk (clk_50m),
46 .rdreq (fifo_rdreq),
47 .q (audio_data_w),
48 .rdempty (fifo_rd_empty)
49 );
50
51 //FFT控制模块， 控制FFT的输入端口
52 fft_ctrl u_fft_ctrl(
53 .clk_50m (clk_50m),
54 .rst_n (rst_n),
55
56 .fifo_rd_empty (fifo_rd_empty),
57 .fifo_rdreq (fifo_rdreq),
58
59 .fft_ready (fft_ready),
60 .fft_rst_n (fft_rst_n),
61 .fft_valid (fft_valid),
62 .fft_sop (fft_sop),
63 .fft_eop (fft_eop)
64 );
65
66 //例化 FFT IP核
67 FFT FFT_u(
68 .clk (clk_50m),
69 .reset_n (fft_rst_n),
70
71 .sink_ready (fft_ready), //FFT准备好信号， 此信号为高表示可输入变换数据
72 .sink_real (audio_data_w), //实部
73 .sink_imag (16'd0), //虚部
74 .sink_sop (fft_sop), //输入数据起始信号， 与第一个数据对齐
75 .sink_eop (fft_eop), //输入数据结束信号， 与最后一个数据对齐
76 .sink_valid (fft_valid), //输入数据有效信号， 在输入数据期间要保持高电平有效
77 .inverse (1'b0), //高电平为FFT反变换
78 .sink_error (1'b0), //输入错误信号， 置0即可
79
80 .source_ready (1'b1), //后端模块准备好信号， 置1即可
81 .source_real (source_real), //实部 有符号数
82 .source_imag (source_imag), //虚部 有符号数
83 .source_sop (source_sop), //起始信号
84 .source_eop (source_eop), //终止信号
85 .source_valid (source_valid), //输出有效信号， FFT变换完成后， 此信号置高开始输出数据
86 .source_exp (), //数据的缩放因子 有符号数
87 .source_error () //输出错误信号,若输入的数据格式有误， 则不进行FFT变
88 ); //换， 并给出错误值
89
90 //对FFT输出的实部和虚部进行取模运算
91 data_modulus u_sqrt_top(
92 .clk_50m (clk_50m),
93 .rst_n (rst_n),
94
95 .source_real (source_real),
96 .source_imag (source_imag),
97 .source_sop (source_sop),
98 .source_eop (source_eop),
99 .source_valid (source_valid),
100
101 .data_modulus (data_modulus),
102 .data_sop (data_sop),
103 .data_eop (data_eop),
104 .data_valid (data_valid)
105 );
106
107 endmodule
我们在代码的52行至64行例化了FFT控制模块（fft_ctrl） ， 它负责产生驱动FFT IP核输入端口的控制信号， 代码如下所示：
1 module fft_ctrl(
2 input clk_50m,
3 input rst_n,
4 5
input fifo_rd_empty,
6 output fifo_rdreq,
7 8
input fft_ready,
9 output reg fft_rst_n,
10 output reg fft_valid,
11 output fft_sop,
12 output fft_eop
13 );
14
15 //reg define
16 reg state;
17 reg [4:0] delay_cnt;
18 reg [9:0] fft_cnt;
19 reg rd_en;
20
21 //*****************************************************
22 //** main code
23 //*****************************************************
24
25 assign fifo_rdreq = rd_en && (~fifo_rd_empty); //fifo读请求信号
26 assign fft_sop = (fft_cnt==10'd1) ? fft_valid : 1'b0; //生成sop信号
27 assign fft_eop = (fft_cnt==10'd128) ? fft_valid : 1'b0; //生成eop信号
28
29 //产生驱动FFT ip核的控制信号
30 always @ (posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
31 if(!rst_n) begin
32 state <= 1'b0;
33 rd_en <= 1'b0;
34 fft_valid <= 1'b0;
35 fft_rst_n <= 1'b0;
36 fft_cnt <= 10'd0;
37 delay_cnt <= 5'd0;
38 end
39 else begin
40 case(state)
41 1'b0: begin
42 fft_valid <= 1'b0;
43 fft_cnt <= 10'd0;
44
45 if(delay_cnt < 5'd31) begin //延时32个时钟周期， 用于FFT复位
46 delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
47 fft_rst_n <= 1'b0;
48 end
49 else begin
50 delay_cnt <= delay_cnt;
51 fft_rst_n <= 1'b1;
52 end
53
54 if((delay_cnt==5'd31)&&(fft_ready))
55 state <= 1'b1;
56 else
57 state <= 1'b0;
58 end
59 1'b1: begin
60 if(!fifo_rd_empty)
61 rd_en <= 1'b1;
62 else
63 rd_en <= 1'b0;
64
65 if(fifo_rdreq) begin
66 fft_valid <= 1'b1;
67 if(fft_cnt < 10'd128)
68 fft_cnt <= fft_cnt + 1'b1;
69 else
70 fft_cnt <= 10'd1;
71 end
72 else begin
73 fft_valid <= 1'b0;
74 fft_cnt <= fft_cnt;
75 end
76 end
77 default: state <= 1'b0;
78 endcase
79 end
80 end
81
82 endmodule
我们接下来会在介绍FFT IP核的数据输入时序的同时， 对代码进行讲解， 如图 51.4.4所示为IP核的数据输入时序。 在让FFT IP核工作之前， 需要先让IP核复位一段时间， 这里让IP核复位了32个时钟周期， 对应于代码的45行至52行。 在复位操作完成后， 需要先等FFT IP核拉
高sink_ready信号（表示IP核可以接受数据了） ， 才能进行下一步操作， 这步操作对应于代码的54行至58行。sink_ready信号拉高后在给FFT IP核送数据的时候， 需要同时拉高sink_valid信号。 大家可以看到图 51.4.4中， 在发送第一个数据的时候， sink_sop信号（startofpacket， 数据包的
开始信号） 需要拉高一个时钟周期。 相应的， 在发送最后一个数据的时候， 需要拉高fft_eop信号（endofpacket， 数据包的结束信号） 一个时钟周期（图中未展示） 。 如代码的60行至63行所示， 在FFT IP核拉高sink_ready信号后， 先判断音频数据缓存模块（audio_in_fifo） 内
是否有数据， 若模块内无数据则保持等待。 当模块内有数据的时候， 会拉高rd_en信号。 此时大家可以看到代码第25行， 由于fifo不为空且rd_en信号拉高了， fifo_rdreq信号（fifo的读使能信号） 也会跟着一起拉高。 代码65行至75行， fifo_rdreq信号拉高后， fft_cnt计数器开
始计数， 计数满128的时候（发送了128个数据） ， 一帧数据（一次数据传输的总量） 传输完毕，接着判断sink_valid信号是否为高电平， 这样周而复始下去。 需要注意的是， 在代码的第26行和第27行， 我们依据fft_cnt计数器的值产生了fft_sop和fft_eop信号。

图 51.4.4 streaming数据流输入时序

在讲解完FFT控制模块（fft_ctrl） 后， 接下来说明一下怎么配置FFT IP核。 我们先打开MegaWizard Plug-In Manager界面（详细步骤可参考“IP核之RAM实验” 章节的程序设计部分），在搜索框中输入FFT， 界面中便会显示我们需要的FFT IP核， 如下图所示：

图 51.4.5 FFT IP核配置界面

此时， 我们需要点击界面中的FFT v13.1来选中这个IP核， 然后选择IP核的生成路径。 我们一般习惯将IP核放置在工程文件夹的par\ipcore下。 然后点击Next， 出现以下界面：

图 51.4.6 FFT IP核主界面

然后点击parameterize（参数化） ， 进入参数配置界面， 如下所示：

图 51.4.7 FFT IP核Parameterize配置界面

实际上， 我们只需要配置这个界面下的Parameters窗口里的参数就可以了。 我们开发板上使用的是Cyclone IV系列的FPGA芯片， 所以不用修改Target Device Family中的选项。 由于我们这次实验的采样点数是128个， 所以， 这里Transform Length设置为128。 传输给FFT IP核的
音频数据位宽为16bit，所以这里Data Input Precision（输入数据位宽）设置为16bits。TwiddleWidth是旋转因子的数据位宽，只要比输入数据的位宽低就可以了，这里将其设置成8bits。DataOutput Precision（输出数据位宽） 选项这里无法修改。
接下来我们看一下Architecture界面下的选项， Architecture界面如下所示：

图 51.4.8 Architecture配置界面

在I/O Data Flow配置界面下有4个选项， 分别为： 流模式(Streaming)、 缓存突发模式(Buffered Burst)、 可变流模式(Variable Streaming)、 突发模式(Burst)。 流模式(Streaming)运算速度大于缓存突发模式(Buffered Burst)， 突发模式(Buffered Burst) 运算速度大于突
发模式(Burst)， 且占用资源也依次减少。 Variable Streaming模式可用于在线改变TransformLength的大小。速度和流模式差不多，资源占用更多。 这里我们使用默认的流模式(Streaming)。然后， 我们看一下Implementation Options界面， 如图 51.4.9所示。

图 51.4.9 Implementation Options界面

我们依然保留默认设置就好了， 图中的配置说明FFT使用了4个乘法器以及2个加法器、 以及DSP块和逻辑单元。 这里点击Finish回到FFT IP核主界面， 如图 51.4.6所示。 接着点击第2个选项Set Up Simulation选项， 出现以下界面：

图 51.4.10 Set Up Simulation界面

如果需要仿真FFT IP核， 则需要勾选Generate Simulation Model选项。 勾选这个选项后，就会依据选择的language来生成仿真IP核所需的一系列文件。接下来点击OK，回到如图 51.4.6所示的主界面。最后点击Generate选项， 就会生成配置好的FFT IP核， 若在生成的过程长时间卡顿在下图
所示的界面 ， 这个时候只需点击Cancel按钮， 回到主界面再次点击Generate选项就好了， 若还是不行， 请多重复几次， 这是正常的情况。

最后出现下图所示的界面就表示IP核生成成功， 点击Next就完成IP核的创建了。

图 51.4.11 FFT IP核生成完成界面

我们在FFT模块（FFT_top） 代码的97行至110行例化了data_modulus模块， data_modulus
模块的代码如下所示：
1 module data_modulus(
2 input clk_50m,
3 input rst_n,
4 5
input [15:0] source_real,
6 input [15:0] source_imag,
7 input source_sop,
8 input source_eop,
9 input source_valid,
10
11 output [15:0] data_modulus,
12 output reg data_sop,
13 output reg data_eop,
14 output reg data_valid
15 );
16
17 //reg define
18 reg [31:0] source_data;
19 reg [15:0] data_real;
20 reg [15:0] data_imag;
21 reg data_sop1;
22 reg data_sop2;
23 reg data_eop1;
24 reg data_eop2;
25 reg data_valid1;
26 reg data_valid2;
27
28 //*****************************************************
29 //** main code
30 //*****************************************************
31
32 //取实部和虚部的平方和
33 always @ (posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
34 if(!rst_n) begin
35 source_data <= 32'd0;
36 data_real <= 16'd0;
37 data_imag <= 16'd0;
38 end
39 else begin
40 if(source_real[15]==1'b0) //由补码计算原码
41 data_real <= source_real;
42 else
43 data_real <= ~source_real + 1'b1;
44
45 if(source_imag[15]==1'b0) //由补码计算原码
46 data_imag <= source_imag;
47 else
48 data_imag <= ~source_imag + 1'b1;
49 //计算原码平方和
50 source_data <= (data_real*data_real) + (data_imag*data_imag);
51 end
52 end
53
54 //例化sqrt模块， 开根号运算
55 sqrt sqrt_inst (
56 .clk (clk_50m),
57 .radical (source_data),
58
59 .q (data_modulus),
60 .remainder ()
61 );
62
63 //数据取模运算共花费了三个时钟周期， 此处延时三个时钟周期
64 always @ (posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
65 if(!rst_n) begin
66 data_sop <= 1'b0;
67 data_sop1 <= 1'b0;
68 data_sop2 <= 1'b0;
69 data_eop <= 1'b0;
70 data_eop1 <= 1'b0;
71 data_eop2 <= 1'b0;
72 data_valid <= 1'b0;
73 data_valid1 <= 1'b0;
74 data_valid2 <= 1'b0;
75 end
76 else begin
77 data_valid1 <= source_valid;
78 data_valid2 <= data_valid1;
79 data_valid <= data_valid2;
80 data_sop1 <= source_sop;
81 data_sop2 <= data_sop1;
82 data_sop <= data_sop2;
83 data_eop1 <= source_eop;
84 data_eop2 <= data_eop1;
85 data_eop <= data_eop2;
86 end
87 end
88
89 endmodule
我们在代码的40行至48行将FFT IP核输出的复数的实部与虚部进行了处理， 求得了它们的原码， 并在第50行计算了原码的平方和。 在代码的55行至61行， 例化了sqrt IP核（求平方根），我们将前面计算得到的平方和输送给sqrt IP核， 进行平方根运算， 得到的结果将在后面用于
在LCD上显示频谱。我们接下来了解一下sqrt IP核的配置， 方法和前面配置FFT IP核一样。 先在MegaWizardPlug-In Manager界面搜索框内输入sqrt， 出现下图所示的三个IP核选项：

图 51.4.12 sqrt IP核选择界面

我们这里使用的是选项中的第三个IP核（ALTSQRT IP核） ， 然后进入IP核的配置界面， 配置后的界面如下图所示：

图 51.4.13 ALTSQRT IP核配置界面

在代码77行至85行， 为了将sqrt IP核输出的数据与source_valid、 source_sop、source_eop信号对齐， 对这三个信号进行了打拍处理。我们在顶层例化了LCD模块（LCD_top） ， 其内部结构如下所示：

图 51.4.14 LCD模块的内部结构图

如图所示LCD模块（LCD_top） 内部例化了3个模块： fifo控制模块（fifo_ctrl） 、 fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 、 LCD显示模块（lcd_rgb_top） 。 FFT模块（FFT_top） 传输过来的幅度数据经过fifo控制模块（fifo_ctrl） 处理， 送到fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 进行缓
存， 然后送给LCD用于频谱显示。fifo控制模块（fifo_ctrl） ： fifo控制模块负责fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 的读写控制。 由于经过FFT得到的频谱是对称的， 所以只需要显示频谱的一半即可， 因此这里缓存的一帧数据的长度为64， 也就是采样长度128的一半。 此外， 由于LCD读取数据的速度较慢， 为了防止fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 写满， 这里对fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 的写数据使能做了一些处理。 此外， 当LCD显示模块（lcd_rgb_top） 请求数据的时候， fifo控制模块（fifo_ctrl） 负责拉高fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） 的读数据使能。
fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） ： fifo缓存模块负责缓存频谱幅度数据， 当读数据使能拉高的时候， 输出数据给LCD显示模块（lcd_rgb_top） 。LCD显示模块（lcd_rgb_top） ： LCD显示模块负责依据读取到的幅度数据， 在RGB TFT-LCD上显示频谱。
LCD模块（LCD_top） 的代码如下所示：
1 module LCD_top(
2 input clk50M,
3 input clk10M,
4 input rst_n,
5 6
output lcd_hs,
7 output lcd_vs,
8 output lcd_de,
9 output [15:0] lcd_rgb,
10 output lcd_bl,
11 output lcd_rst,
12 output lcd_pclk,
13
14 input [15:0] fft_data,
15 input fft_sop,
16 input fft_eop,
17 input fft_valid
18 );
19
20 //wire define
21 wire [6:0] line_cnt;
22 wire [15:0] line_length;
23 wire data_req;
24 wire wr_over;
25
26 wire fifo_wr_req;
27 wire fifo_rd_req;
28 wire [15:0] fifo_wr_data;
29 wire fifo_empty;
30
31 //*****************************************************
32 //** main code
33 //*****************************************************
34
35 //fifo读写控制模块
36 fifo_ctrl u_fifo_ctrl(
37 .clk_50m (clk50M),
38 .lcd_clk (clk10M),
39 .rst_n (rst_n),
40
41 .fft_data (fft_data),
42 .fft_sop (fft_sop),
43 .fft_eop (fft_eop),
44 .fft_valid (fft_valid),
45
46 .data_req (data_req),
47 .wr_over (wr_over),
48 .rd_cnt (line_cnt), //频谱的序号
49
50 .fifo_wr_data (fifo_wr_data),
51 .fifo_wr_req (fifo_wr_req),
52 .fifo_rd_req (fifo_rd_req)
53 );
54
55 //例化fifo
56 FFT_LCD_FIFO FFT_LCD_FIFO_inst (
57 .aclr (~rst_n),
58 //写端口
59 .wrclk (clk50M),
60 .wrreq (fifo_wr_req),
61 .data (fifo_wr_data),
62 //读端口
63 .rdclk (clk10M),
64 .rdreq (fifo_rd_req),
65 .q (line_length), //频谱的幅度
66
67 .rdempty (fifo_empty)
68 );
69
70 //LCD驱动显示模块
71 lcd_rgb_top u_lcd_rgb_top(
72 .lcd_clk (clk10M),
73 .sys_rst_n (rst_n &(~fifo_empty)),
74
75 .lcd_hs (lcd_hs),
76 .lcd_vs (lcd_vs),
77 .lcd_de (lcd_de),
78 .lcd_rgb (lcd_rgb),
79 .lcd_bl (lcd_bl),
80 .lcd_rst (lcd_rst),
81 .lcd_pclk (lcd_pclk),
82
83 .line_cnt (line_cnt), //频谱的序号（0~63）
84 .line_length (line_length[15:3]),//频谱的幅度， 缩小8倍以适应屏幕尺寸
85 .data_req (data_req), //请求频谱数据输入
86 .wr_over (wr_over) //” 一条频谱绘制完成” 标志信号
87 );
88
89 endmodule
LCD模块（LCD_top） 完成了三个子模块的例化。 不过需要注意的是， 在代码的第84行， 为了在播放音乐的时候能够看到合适的频谱， 我们对频谱的幅度进行了缩放处理。接下来， 我们看一下fifo控制模块（fifo_ctrl） ， fifo控制模块的代码如下所示：
1 module fifo_ctrl(
2 input clk_50m,
3 input lcd_clk,
4 input rst_n,
5 6
input [15:0] fft_data,
7 input fft_sop,
8 input fft_eop,
9 input fft_valid,
10
11 input data_req, //外部数据请求信号
12 input wr_over,
13 output reg [6:0] rd_cnt,
14
15 output [15:0] fifo_wr_data,
16 output fifo_wr_req,
17 output reg fifo_rd_req
18 );
19
20 //parameter define
21 parameter Transform_Length = 128;
22
23 //reg define
24 reg [1:0] wr_state;
25 reg [1:0] rd_state;
26 reg [6:0] wr_cnt;
27 reg wr_en;
28 reg fft_valid_r;
29 reg [15:0] fft_data_r;
30
31 //*****************************************************
32 //** main code
33 //*****************************************************
34
35 //产生fifo写请求信号
36 assign fifo_wr_req = fft_valid_r && wr_en;
37 assign fifo_wr_data = fft_data_r;
38
39 //将数据与有效信号延时一个时钟周期
40 always @ (posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
41 if(!rst_n) begin
42 fft_data_r <= 16'd0;
43 fft_valid_r <= 1'b0;
44 end
45 else begin
46 fft_data_r <= fft_data;
47 fft_valid_r <= fft_valid;
48 end
49 end
50
51 //控制FIFO写端口， 每次向FIFO中写入前半帧（64个） 数据
52 always @ (posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
53 if(!rst_n) begin
54 wr_state <= 2'd0;
55 wr_en <= 1'b0;
56 wr_cnt <= 7'd0;
57 end
58 else begin
59 case(wr_state)
60 2'd0: begin //等待一帧数据的开始信号
61 if(fft_sop) begin
62 wr_state <= 2'd1;
63 wr_en <= 1'b1;
64 end
65 else begin //进入写数据过程， 拉高写使能wr_en
66 wr_state <= 2'd0;
67 wr_en <= 1'b0;
68 end
69 end
70 2'd1: begin
71 if(fifo_wr_req) //对写入FIFO中的数据计数
72 wr_cnt <= wr_cnt + 1'b1;
73 else
74 wr_cnt <= wr_cnt;
75 //由于FFT得到的数据具有对称性， 因此只取一帧数据的一半
76 if(wr_cnt < Transform_Length/2 - 1'b1) begin
77 wr_en <= 1'b1;
78 wr_state <= 2'd1;
79 end
80 else begin
81 wr_en <= 1'b0;
82 wr_state <= 2'd2;
83 end
84 end
85 2'd2: begin //当FIFO中的数据被读出一半的时候， 进入下一帧数据写过程
86 if((rd_cnt == Transform_Length/4)&& wr_over) begin
87 wr_cnt <= 7'd0;
88 wr_state <= 2'd0;
89 end
90 else
91 wr_state <= 2'd2;
92 end
93 default:
94 wr_state <= 2'd0;
95 endcase
96 end
97 end
98
99 //控制FIFO读端口， 每次输出一个数据用于绘制频谱
100 always @ (posedge lcd_clk or negedge rst_n) begin
101 if(!rst_n) begin
102 rd_state <= 2'd0;
103 rd_cnt <= 7'd0;
104 fifo_rd_req <= 1'b0;
105 end
106 else begin
107 case(rd_state)
108 2'd0: begin //外部请求频谱数据时， 拉高读FIFO请求信号
109 if(data_req) begin
110 fifo_rd_req <= 1'b1;
111 rd_state <= 2'd1;
112 end
113 else begin
114 fifo_rd_req <= 1'b0;
115 rd_state <= 2'd0;
116 end
117 end
118 2'd1: begin //读FIFO请求仅拉高一个时钟周期
119 fifo_rd_req <= 1'b0;
120 rd_state <= 2'd2;
121 end
122 2'd2: begin //等待输出的频谱数据绘制结束
123 if(wr_over) begin
124 rd_state <= 2'd0;
125 if( rd_cnt== Transform_Length/2 -1 )
126 rd_cnt <= 7'd0;
127 else
128 rd_cnt <= rd_cnt + 1'b1;
129 end
130 else
131 rd_state <= 2'd2;
132 end
133 default:
134 rd_state <= 2'd0;
135 endcase
136 end
137 end
138
139 endmodule
在代码的59行至95行所描述的状态机如图 51.4.15所示 ， 在state的值为0的时候，fft_sop信号（数据包开始信号） 一拉高， 就进入state值为1的状态。 此时当wr_req信号为高电平的时候（见代码36行， 此时fft_valid_r信号也为高电平， fft_valid_r为数据有效信号） ，
开始往fifo里写数据， 同时让wr_cnt计数器累加计数。 当wr_cnt计数器的值等于63的时候， 也就是fifo里写入了64个数据的时候， 进入下一状态。 在这个状态里保持等待， 直到LCD显示模块（lcd_rgb_top） 读了32个数据的时候回到state的值等于0的状态， 这样一直循环下去。

图 51.4.15 往fifo内写数据状态机示意图

107行至135行代码所示的状态机如图 51.4.16所示：

图 51.4.16 从fifo读数据状态机示意图

在state的值为0的时候， draw_able信号（LCD显示模块请求数据信号） 一拉高， 就进入state值为1的状态。 此时读取fifo里的一个数据， 并拉低rd_en信号， 然后进入下一状态。 当wr_over信号为高电平的时候（LCD显示模块显示了一条频谱） ， 让rd_cnt计数器自加1（rd_cnt
计数器的值等于63的时候清零， 对应于代码的126行） ， 并回到state的值为0的状态。我们在LCD模块（LCD_top） 中例化了fifo缓存模块（FFT_LCD_FIFO） ， 它起到了缓存数据的作用， 我们在前面已经也对该模块的作用进行了详细的描述， 这里就不再赘述了。 接下来，
我们来了解一下LCD显示模块（lcd_rgb_top） 。我们在LCD显示模块中例化了LCD显示模块（lcd_rgb_top） ， 它在内部还例化了两个模块：lcd驱动模块（lcd_driver模块） 以及lcd显示模块（lcd_display模块） 。 LCD显示模块
（lcd_rgb_top） 的内部结构图如下所示：

图 51.4.17 LCD显示模块内部结构图

lcd驱动模块（lcd_driver模块） ： 在像素时钟的驱动下输出数据使能信号用于数据同步，同时还需要输出像素点的纵横坐标， 供LCD显示模块（lcd_display） 调用， 以绘制图案。 有关LCD驱动模块的详细介绍请大家参考“RGB TFT-LCD彩条显示实验” 章节。
接下来我们了解一下lcd显示模块（lcd_display模块） ， 它的代码如下所示：
1 module lcd_display(
2 input lcd_clk, //lcd驱动时钟
3 input sys_rst_n, //复位信号
4 5
input [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
6 input [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
7 8
input [6:0] line_cnt, //频点
9 input [15:0] line_length, //频谱数据
10 output data_req, //请求频谱数据
11 output wr_over, //绘制频谱完成
12 output [15:0] lcd_data //LCD像素点数据
13 );
14
15 //parameter define
16 parameter H_LCD_DISP = 11'd480; //LCD分辨率——行
17 localparam BLACK = 16'b00000_000000_00000; //RGB565 黑色
18 localparam WHITE = 16'b11111_111111_11111; //RGB565 白色
19
20 //*****************************************************
21 //** main code
22 //*****************************************************
23
24 //请求像素数据信号（这里加8是为了图像居中显示）
25 assign data_req = ((pixel_ypos == line_cnt * 4'd4 + 4'd8 - 4'd1)
26 && (pixel_xpos == H_LCD_DISP - 1)) ? 1'b1 : 1'b0;
27
28 //在要显示图像的列， 显示line_length长度的白色条纹
29 assign lcd_data = ((pixel_ypos == line_cnt * 4'd4 + 4'd8)
30 && (pixel_xpos <= line_length)) ? WHITE : BLACK;
31
32 //wr_over标志着一个频点上的频谱绘制完成,该信号会触发line_cnt加1
33 assign wr_over = ((pixel_ypos == line_cnt * 4'd4 + 4'd8)
34 && (pixel_xpos == H_LCD_DISP - 1)) ? 1'b1 : 1'b0;
35
36 endmodule
正点原子4.3寸RGB TFT-LCD屏幕的分辨率是480*272的， LCD的扫描原理是扫描完一行接着扫描下一行的。 而LCD的数据来源是fifo， 无法保存已经读过的数据。 那么为了能在LCD上显示频谱（在屏幕上显示64个像素条） ， 我们将272行像素点64等分， 也就是每4行显示一个频率点
的幅度图像， 这样272行像素还余下16行像素不显示图像。 为了让频谱能够居中显示， 我们从第8行开始显示第一个频率点的幅度图像， 幅度图像（像素条） 的长度由该频率点的幅值（从fifo中读出） 决定。如代码29行所示， 我们在第8行开始显示第一个频率点的幅度图像， 当列像素点的值小于处理后的频谱幅值时（line_length） ， 显示白色像素点， 其他像素点不显示。 然后以4行为间隔显示其他频率点的幅度图像。 但在显示图像之前， 需要先获取幅值。 所以在代码第25行， 我们在显示频谱条纹的前一行的最后一列发出读请求信号， 从fifo中获得幅值用于绘制频谱。 此
外， 如代码的第32行所示， 每当一条频谱绘制完成后， 将绘制完成的标志信号wr_over拉高，通知fifo_ctrl模块当前频谱绘制完成。 然后随着line_cnt计数器从0累加到63， 再回到0这样循环的变化， 我们就能在LCD上观察到不断变化的频谱。
到此， 程序设计部分就结束了。
51.5 下载验证
首先我们打开IP核之FFT实验工程， 在工程所在的路径下打开FFT_audio_lcd/par文件夹，在里面找到“FFT_audio_lcd.qpf” 并双击打开。 注意工程所在的路径名只能由字母、 数字以及下划线组成， 不能出现中文、 空格以及特殊字符等。 工程打开后如图 51.5.1示：

图 51.5.1 IP核之FFT实验工程

将下载器一端连接电脑， 另一端与开发板上对应端口连接， 然后用音频线连接电脑和开发板， 最后连接电源线并打开电源开关。需要注意的是， 使用FFT IP核需要LICENSE！ 如果我们的LICENSE文件不包含该IP核的使用许可， 那么工程编译结束之后， 将会生成一个带“_time_limited” 后缀的sof文件。 该sof文件只能运行一个小时， 然后自动停止运行， 不过这并不影响我们本次实验的下载验证。点击工具栏中的“Programmer” 图标打开下载界面， 通过点击“Add File” 按钮选择FFT_audio_lcd/par/output_files 目 录 下 的 “FFT_audio_lcd_time_limited.sof” 或 者“FFT_audio_lcd.sof” 文件。开发板电源打开后， 在程序下载界面点击“Hardware Setup” ， 在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster[USB-0]” 。 然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中， 如下图所示：

图 51.5.2 下载界面

下载完成后，打开工程目录下的“音频文件”文件夹，里面有个名为“SHT_noise_96k.wav”的音频文件。 该音频是掺杂了噪声的一小段“上海滩” 音乐， 噪声频率为9.6KHz。 在电脑上使用播放器播放这段音频， 我们可以听到开发板背面的喇叭在播放上海滩的音乐， 音乐中混杂了一个尖锐的类似蜂鸣器的声音， 同时我们可以在LCD上看到如图 51.5.3所示的音频频谱图。

图 51.5.3 频谱图

由本章简介部分的内容可知， 频谱第n个点对应信号频率为： F*(n-1)/N。 我们的采样频率F是WM8978内部ADC的采样频率， 即48KHz； N是FFT IP核的一次频谱分析长度， 即128； n是频谱中白色条纹的序号。上图中， 幅度最高的频谱的序号为27（从左往右数第27个白色条纹最高） ， 经过计算得出该频谱对应的频率为48*（27-1）/128=9.75KHz， 它就是我们在音乐播放过程中所听到的9.6KHz的高频噪声。 从频谱中计算出来的频率值误差为0.15KHz， 在频率精度（48/128=0.375KHz） 范围内， 说明我们本次实验在开拓者FPGA开发板上下载验证成功。