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[资料贡献]利用FPGA的IP核实现FIR滤波器 [复制链接]

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提示:会员销售的附件,下载积分 = 版块积分 + 销售积分       只看楼主 倒序阅读 使用道具 0楼 发表于: 前天 17:38
一、首先是设计指标: 4ElS_u^cP7  
采用最优化设计方法(firpm),设计一个阶数为16阶(长度为17)的线性相位低通FIR滤波器,截止频率为500hz,fs=2000hz。,系数量化位数为12bit,输入数据位宽为12bit,输出数据位宽为25Bit,系统时钟为2khz。 O1+yOef"k  
~QUN O~  
二、设计流程: .[1@wW&L  
(1)利用MATLAB设计滤波器系数,浮点数类型。 .[s6PzQy  
(2)Matlab测试滤波器性能,输入观察输出。 Dtyw]|L\H  
(3)利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。 T)Q_dF.N  
(4)编写testbench,测试滤波器性能。输入Matlab产生的激励文本文件, !89hO4 0r  
             输出硬件处理后的信号,写入文本文件中。 51* [Ibx  
(5)Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。 $BG]is,&5  
三、设计步骤: :bL^S1et  
1,利用MATLAB设计滤波器系数。代码如下: wF59g38[z$  
function hn=Fir_Coefficient_Design =h+-1zp{M^  
N=17;      %滤波器长度 m Ph=bG  
Sample_Freq=2000;   %采样频率 FMzG6nrdBN  
fc=500;    %低通滤波器的通带截止频率 3C'6i  
B=12;      %量化位数 Zv?"1Y< L  
Cut_Off_Freq=[0 500 700 Sample_Freq/2]; 2 zG;91^  
Cut_Off_Freq=Cut_Off_Freq./(Sample_Freq/2); %归一化 '-$cvH7_  
Fir_Amplitude=[1 1 0 0]; ] ;HCt=I~  
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude); VW;E14  
hn=Fir_Coefficient; lhf5[Rp  
freqz(Fir_Coefficient,1,1024,Sample_Freq); "9N;&^ I  
MmFtG-  
注意MATLAB中频率归一化是针对fs/2,即采样率的一半。 c>Ri6=C  
Nus]]Iy-g  
接下来将滤波器系数写入文本文件中, {A5$8)nl|  
fid=fopen('Fir_Coefficient.txt','w'); Vs Z7 n~e  
for k=1:length(Fir_Coefficient)     KP $AT}D  
      fprintf(fid,'%.14f',Fir_Coefficient(k)); -3 "<znv  
      if(k~=length(Fir_Coefficient) )           G]mD_J1$  
       fprintf(fid,'\r\n'); }wI +e Mr  
      end 7s;;2<k;_  
end =EU;%f  
fclose(fid); tCA0H\';  
由于采用FIR Complier13.0,其中的用户手册有这么一句: 4Y4zBD=<  
.' h^  
P :%b[7  
K}GR U)  
需要注意的就是最后一个系数后面不能有回车,否则导入系数文件的时候又会被FIR Complier识别为一个新的系数。这样,系数就被写进了文本文件Fir_Coefficient.txt kpNp}b8']  
(2)Matlab测试滤波器性能,输入观察输出。 ->7zVAX  
    思路就是生成两个信号,一个在通带内,一个在阻带内,然后调用filter函数进行滤波处理,观察输出信号的频谱。代码如下:     'q RQO(9&m  
f1=200;       %信号1频率为200Hz fvV"H{V,  
f2=800;       %信号2频率为800Hz %|>D{q6C  
Fs=2000;      %采样频率为2KHz m'k>U4  
N=12;         %量化位数 nwqA\  
t=0:1/Fs:1; h-SKw=n  
c1=2*pi*f1*t; PzhC *" i}  
c2=2*pi*f2*t; {+3g*s/HI  
s1=sin(c1);%产生正弦波 | h+vdE8  
s2=sin(c2);%产生正弦波 EB6X Yr  
s=s1+s2;   %产生两个单载波合成后的信号 I[w5V;>*  
s=s/max(abs(s));%归一化处理 2vb qz  
Q_s=round(s*(2^(N-1)-1));%12比特量化 17 0r5  
%调用自已设计的滤波器函数对信号进行滤波 c6y>]8_  
hn=Fir_Coefficient_Design; <P@O{Xi+K  
Filter_s=filter(hn,1,Q_s); TmM~uc7mj  
然后观察输入输出频谱:可以看到800hz处的信号被衰减在-40db一下,符 Z%=A[` 5]  
合要求。 ;d_<6|*M  
dJdOh#8+Xi  
{z;4t&5  
接下来将测试信号以二进制数据格式写入Excitation_Signal_Bin.txt文件中,供给第四步仿真FPGA时testbench调用。 VUz+ _)  
    fid=fopen('Excitation_Signal_Bin.txt','w'); wfcR[  
for i=1:length(Q_s) wb h=v;  
   B_s=dec2bin(Q_s(i)+(Q_s(i)<0)*2^N,N) Ww#!-,*]o  
   for j=1:N B7'yc`)H  
      if B_s(j)=='1' z<0/#OP'  
          tb=1; !41"`D!1  
      else L =M'QJl9  
          tb=0; ]mgpd}Y  
      end Pf?15POg&B  
      fprintf(fid,'%d',tb);   aygK$.wos  
   end  !$!%era`  
   fprintf(fid,'\r\n'); f&RjvVP?s  
end ?5,I`9  
fprintf(fid,';'); %Nob B  
fclose(fid); "V`DhOG&  
i->G {_gH  
(3)利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。 ?[Ma" l>  
i&DUlmt)f  
    这个Altera提供的FIR Compiler v13.0有些老了,现在有FIR Compiler II v13.0,也就是2.0版本的FIR的IP核。这里还是用FIR Compiler v13.0吧,2.0版本日后再研究研究。 =qL^#h83y  
    打开MegaWizard Plug-In Manager,选择FIR Compiler v13.0,特别需要注意的是文件保存位置!只能保存在当前的工程目录下,不能放在别的文件夹里面!如果不放在工程目录下,后一步的modeisim仿真就会出错! [nrD4  
eV }H  
     ?du*ITim  
接下来就是参数设置,单击上方的"Edit Coefficient",跳出"Coefficient Generator Dialog"对话框,选择下方的"Imported Coefficient Set",导入之前设计的滤波器系数"Fir_Coefficient.txt"。 |zd5P  
    输入输出声明如下,输入一路,有符号二进制数,输入位宽12bit,输出选择基于"实际的系数","全精度"。输出位宽这里计算出是25bit。 XdOntP*a  
     BglbQ'6p  
系数量化单位选择12bit,滤波器结构选择"分布式算法,全并行结构",流水级数选择1,数据和滤波器系数的存储都选择"Logic Cells"。这里 有什么不懂的,就要多看用户手册,写的比较清楚。 82?LZ?!PD  
UdA,.C0  
     |L:X$oM  
-%{+\x2  
接下来选择step 2,生成仿真文件,选择"Verilog HDL",还可以生成.m文件供MATLAB进行仿真分析,最后,Step3: Generate,这样整个滤波器便设计完成了。 @U1t~f^  
接下来编写.v文件例化,即可。其输入输出信号参见IP核用户手册即可。这里给出代码参考: 9>`dB  
    module Fir_FPGA ( *~b~y7C  
    reset_n,clk,Xin, )ZFc5m^+u  
    Yout);     vz1I/IdTd  
    input        reset_n;   //复位信号,低电平有效 <E^;RG  
    input        clk;       //FPGA系统时钟/数据速率:2kHz xe3Jxo !U  
    input     signed [11:0]    Xin;  //数据输入频率为2kHZ  a3a:H  
    output signed [24:0]    Yout; //滤波后的输出数据 P_75-0G  
    wire ast_sink_valid,ast_source_ready,ast_source_valid; s~ o\j/  
    wire [1:0] ast_source_error; {eQijW2Z3  
    wire [1:0] ast_sink_error; +kD JZ  
    assign ast_sink_valid=1'b1; S;%k?O 7v  
    assign ast_source_ready=1'b1; ?U1Nm~'UZ  
    assign ast_sink_error=2'd0; t%f>*}*P*  
    fir    u_fir( tAujm*|&  
        .clk(clk), ez5>V7Y  
        .reset_n(reset_n), 2+ g'ul`  
        .ast_sink_data(Xin), \$F#bIjC  
        .ast_sink_valid(ast_sink_valid), 'Z#>K*  
        .ast_source_ready(ast_source_ready), pEX Q  
        .ast_sink_error(ast_sink_error), iU3PlF[B/o  
        .ast_source_data(Yout), )a `kL,  
        .ast_sink_ready(ast_sink_ready), u|D L?c>W  
        .ast_source_valid(ast_source_valid), ]k+(0qxG  
        .ast_source_error(ast_source_error)); >xsY"N&1i'  
(4)编写testbench,测试滤波器性能。     HNlW.y"  
主要就是将第二步MATLAB生成的激励信号输入module,然后将输出写入文本文件,供下一步MATLAB进行分析。 >*n4j:  
    这里采用Quartus II 软件的"processing->start->start Test Bench Template Writer"选项自动生成模块测试文件(Fir_FPGA.vt),该目录自动存储在"工程目录\simulation\modelsim"下,然后打开文件,编写文件即可。主要是时钟,复位信号,按照时钟节拍输入和输出数据。这里给出输入和输出: R4$(NNC+/  
    //从外部TX文件(SinIn.txt)读入数据作为测试激励 :QXKG8^  
integer Pattern; Dqd2e&a\  
reg [11:0] stimulus[1:data_num]; S1C#5=  
initial \pSRG=`  
begin ];N/KHeZ  
  //文件必须放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下     |)*!&\Ch  
    $readmemb("Excitation_Signal_Bin.txt",stimulus); D-x*RRkpp  
    Pattern=0; M &H,`gm  
    repeat(data_num) 78?cCj{e  
        begin %Q;:nVt  
            Pattern=Pattern+1; eW}-UeT  
            Xin=stimulus[Pattern]; '0&HkM{ D  
            #clk_period;//采用并行结构,数据周期等于时钟周期 ,6"[vb#*3  
        end If8 ^  
end 8E9k7  
Xr88I^F;  
//将仿真数据dout写入外部TXT文件中(Response_Signal.txt) +"~*L,ken0  
integer file_out; ^BW8zu@=O  
initial &+ H\ST(/  
begin cFuQ>xR1  
  //文件放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下                                                   ,_=LV  
    file_out = $fopen("Response_Signal.txt"); lE8_Q*ev  
    if(!file_out) Y/pK  
        begin $~?)E;S  
            $display("could not open file!"); Fx)><+-  
            $finish; yC4%z) t&R  
        end mGoC8t}iP  
end q~*|Wd'&  
wire rst_write; [TxvZq*4  
wire signed [24:0] dout_s; Y|W#VyM-  
assign dout_s = Yout;                   //将dout转换成有符号数据 :R$v7{1  
assign rst_write = clk& (reset_n);//产生写入时钟信号,复位状态时不写入数据 HW"5MZ8E  
always @(posedge rst_write ) -Hy> z  
    $fdisplay(file_out,"%d",dout_s); [=u@6Y  
    然后在quartus ii中设置"Assignment->Settings"选择"EDA Tool Setting",设 47A[-&y*X  
置如下:主要就是选择modelsim。 =CCddLO  
2^U?Ztth6  
%?8.UW\m  
    再选择下边的"Simulation",设置仿真工具名称(Modelsin-Altera),下面的NativeLink setting,选中第二项"Compile test bench",选择上面编辑的Fir_FPGA.vt,设置好名称之类的选项后,选择quartus ii 中的"Tool->Run simulation tool->RT Simulation",就可以启动Modelsim进行仿真。仿真完成后,处理后数据自动保存在Response_Signal.txt中。 %+UTs'I  
z(>:LX"xz  
(5)Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。 k RSY;V  
q 1u_r  
    最后,用MATLAB分析Response_Signal.txt中的数据,主要就是输入输出的频谱情况。分析结果如下:     NL!xk cXO  
w[ )HQ1K  
可以看到,800hz处信号被衰减,达到预期效果。 n^l5M^.  
四、总结 .cmhi3o4  
(1)Fir滤波器阶数=抽头数目减去1。 #sbW^Q'I  
(2)firpm函数使用偶数阶系数,偶对称,总是在奈奎斯特频率处不为0。 )5o6*(Y  
(3).m文件返回值,可以在函数中指出。例如 !thFayq  
function hn=Fir_Coefficient_Design N~S#( .}[  
代码…… l^$U~OB8k  
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude); F:.8O ,%u  
hn=Fir_Coefficient; %uo#<Ny/ I  


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谢谢分享利用FPGA的IP核实现FIR滤波器


离线hbjsss

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在线zzl123

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FPGA不好学啊


离线mj8abcd

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