基于Matlab与FPGA的混频sin信号FFT验证：双平台功能设计与比对
基于Matlab与FPGA的混频sin信号的FFT验证 分别在Matlab和FPGA开发环境上实现相同的FFT功能设计 Matlab平台开发，使用自带的fft函数与相关操作函数，绘制出混频sin信号，经过fft功能处理后的频谱图 FGPA平台开发，通过dds ip核和乘法ip核，生成与Matlab相同配置的混频sin信号，借助于fft ip核实现fft的功能，对于输出的fft数据，寻找1024点中的四个峰值，并与Matlab的频谱图比对，从而确定FPGA开发验证的结果
一、项目背景
本项目旨在验证 FPGA 平台中 FFT（快速傅里叶变换）模块对混频 Sin 信号的处理能力。通过在 MATLAB 与 FPGA 上分别实现相同的 FFT 功能，并对比频谱结果，验证 FPGA 设计的正确性与稳定性。
二、系统功能概述
本系统实现以下核心功能：
- 混频信号生成：生成 3MHz 与 4MHz 的 Sin 信号并进行混频处理；
- FFT 变换：对混频信号进行 1024 点 FFT 变换；
- 频谱分析：提取 FFT 结果中的四个主要峰值；
- 结果比对：将 FPGA 的峰值结果与 MATLAB 仿真结果进行比对，验证一致性；
- 最大值搜索算法：在 FPGA 中实现高效的最大值搜索逻辑，用于定位频谱峰值。
三、系统架构设计
1. MATLAB 平台功能
- 输入信号：3MHz 与 4MHz Sin 信号混频；
- 采样参数：采样频率 50MHz，采样点数 1024；
- 频谱计算：使用
fft()函数计算频谱，并取模； - 峰值提取：自动提取频谱中四个峰值及其横坐标；
- 结果输出：用于与 FPGA 结果比对的标准参考值。
MATLAB 峰值结果：
| 峰值编号 | 横坐标 | 搜索范围 |
|---|---|---|
| 1 | 21 | 1–50 |
| 2 | 144 | 100–200 |
| 3 | 882 | 850–900 |
| 4 | 1005 | 950–1023 |
2. FPGA 平台功能
（1）系统组成模块
| 模块名称 | 功能描述 |
|---|---|
clk_gen | 时钟生成（50MHz、100MHz） |
dds_ctrl | DDS 控制，生成 3MHz 与 4MHz Sin 信号 |
mult_ip | 混频处理（Sin 信号相乘） |
fft_ip | 1024 点 FFT 变换 |
abs_cal | 频谱取模运算 |
datamaxtop | 峰值搜索模块 |
bramd33a2048 | 存储 FFT 结果 |
（2）关键信号处理流程
- 信号生成：DDS IP 核分别生成 3MHz 与 4MHz 的 Sin 信号；
- 混频处理：通过乘法 IP 核对两路信号进行混频；
- FFT 处理：混频信号送入 FFT IP 核进行频域变换；
- 取模运算：对 FFT 结果取模，得到频谱幅值；
- 峰值搜索：在指定范围内搜索最大幅值点，记录其地址；
- 结果输出：输出四个峰值地址，与 MATLAB 结果比对。
四、峰值搜索算法说明
1. 状态机设计
采用三段式状态机结构：
| 状态名称 | 功能描述 |
|---|---|
S_IDLE | 等待 FFT 数据有效 |
SFFTDATA_VAILD | 将 1024 点 FFT 数据写入 RAM |
SFFTDATAMAXPROCESS | 启动峰值搜索算法 |
S_FINISH | 搜索完成，输出结果 |
2. RAM 存储结构
- 使用双端口 RAM（BRAM）存储 FFT 结果；
- 数据位宽：33 位；
- 地址深度：2048（支持 1024 点复数数据）；
- 读写分离，支持并行处理。
3. 搜索逻辑
- 每个峰值在指定地址范围内顺序比较；
- 使用中间寄存器保存当前最大值；
- 比较完成后输出最大值及其地址。
五、系统验证与比对
1. MATLAB 与 FPGA 峰值比对结果
| 峰值编号 | MATLAB 横坐标 | FPGA 地址输出 | 是否一致 |
|---|---|---|---|
| 1 | 21 | 21 | ✅ |
| 2 | 144 | 144 | ✅ |
| 3 | 882 | 882 | ✅ |
| 4 | 1005 | 1005 | ✅ |
✅结论：FPGA 实现的 FFT 功能与 MATLAB 仿真结果完全一致，系统功能正确。
六、使用说明
1. 仿真运行流程
- 在 Vivado 中打开工程；
- 运行仿真文件（
fft_tb.v）； - 查看波形中
datamaxprocess_finish信号； - 观察
maxdataaddr输出是否与 MATLAB 峰值一致。
2. 参数调整建议
- 若更换输入信号频率，需同步修改 DDS IP 核配置；
- 若修改采样点数，需重新配置 FFT IP 核与 RAM 深度；
- 峰值搜索范围可根据频谱特性灵活调整。
七、总结
本系统成功实现了 MATLAB 与 FPGA 平台之间 FFT 功能的对比验证。通过混频 Sin 信号的频谱分析，验证了 FPGA 中 FFT 模块的正确性、峰值搜索算法的有效性以及整体系统的稳定性。该系统可广泛应用于通信、雷达、音频处理等领域的频谱分析模块开发。
如需进一步扩展功能，可考虑：
- 增加多通道 FFT 支持；
- 实现峰值功率计算；
- 添加 AXI 接口用于嵌入式系统集成。
基于Matlab与FPGA的混频sin信号的FFT验证 分别在Matlab和FPGA开发环境上实现相同的FFT功能设计 Matlab平台开发，使用自带的fft函数与相关操作函数，绘制出混频sin信号，经过fft功能处理后的频谱图 FGPA平台开发，通过dds ip核和乘法ip核，生成与Matlab相同配置的混频sin信号，借助于fft ip核实现fft的功能，对于输出的fft数据，寻找1024点中的四个峰值，并与Matlab的频谱图比对，从而确定FPGA开发验证的结果