一、首先是设计指标:
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。
二、设计流程:
(1)利用MATLAB设计滤波器系数,浮点数类型。
(2)Matlab测试滤波器性能,输入观察输出。
(3)利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。
(4)编写testbench,测试滤波器性能。输入Matlab产生的激励文本文件,
输出硬件处理后的信号,写入文本文件中。
(5)Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。
三、设计步骤:
1,利用MATLAB设计滤波器系数。代码如下:
function hn=Fir_Coefficient_Design
N=17; %滤波器长度
Sample_Freq=2000; %采样频率
fc=500; %低通滤波器的通带截止频率
B=12; %量化位数
Cut_Off_Freq=[0 500 700 Sample_Freq/2];
Cut_Off_Freq=Cut_Off_Freq./(Sample_Freq/2); %归一化
Fir_Amplitude=[1 1 0 0];
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude);
hn=Fir_Coefficient;
freqz(Fir_Coefficient,1,1024,Sample_Freq);
注意MATLAB中频率归一化是针对fs/2,即采样率的一半。
接下来将滤波器系数写入文本文件中,
fid=fopen('Fir_Coefficient.txt','w');
for k=1:length(Fir_Coefficient)
fprintf(fid,'%.14f',Fir_Coefficient(k));
if(k~=length(Fir_Coefficient) )
fprintf(fid,'\r\n');
end
end
fclose(fid);
由于采用FIR Complier13.0,其中的用户手册有这么一句:
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
(2)Matlab测试滤波器性能,输入观察输出。
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:
f1=200; %信号1频率为200Hz
f2=800; %信号2频率为800Hz
Fs=2000; %采样频率为2KHz
N=12;%量化位数
t=0:1/Fs:1;
c1=2*pi*f1*t;
c2=2*pi*f2*t;
s1=sin(c1);%产生正弦波
s2=sin(c2);%产生正弦波
s=s1+s2; %产生两个单载波合成后的信号
s=s/max(abs(s));%归一化处理
Q_s=round(s*(2^(N-1)-1));%12比特量化
%调用自已设计的滤波器函数对信号进行滤波
hn=Fir_Coefficient_Design;
Filter_s=filter(hn,1,Q_s);
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
合要求。
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。
fid=fopen('Excitation_Signal_Bin.txt','w');
for i=1:length(Q_s)
B_s=dec2bin(Q_s(i)+(Q_s(i)<0)*2^N,N)
for j=1:N
if B_s(j)=='1'
tb=1;
else
tb=0;
end
fprintf(fid,'%d',tb);
end
fprintf(fid,'\r\n');
end
fprintf(fid,';');
fclose(fid);
(3)利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。
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。
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!
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"。
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。
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。
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。
***注意
1、在Step2时,不要选择生成仿真文件。
2、在Step3: Generate时,如果卡在哪里不动,如下图所示,你只需在任务管理器里结束进程:java(TM) Platform SE binary(3)/quartus_map.exe即可生成成功。
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:
module Fir_FPGA (
reset_n,clk,Xin,
Yout);
inputreset_n; //复位信号,低电平有效
inputclk; //FPGA系统时钟/数据速率:2kHz
input signed [11:0]Xin; //数据输入频率为2kHZ
output signed [24:0]Yout; //滤波后的输出数据
wire ast_sink_valid,ast_source_ready,ast_source_valid;
wire [1:0] ast_source_error;
wire [1:0] ast_sink_error;
assign ast_sink_valid=1'b1;
assign ast_source_ready=1'b1;
assign ast_sink_error=2'd0;
firu_fir(
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.ast_sink_data(Xin),
.ast_sink_valid(ast_sink_valid),
.ast_source_ready(ast_source_ready),
.ast_sink_error(ast_sink_error),
.ast_source_data(Yout),
.ast_sink_ready(ast_sink_ready),
.ast_source_valid(ast_source_valid),
.ast_source_error(ast_source_error));
(4)编写testbench,测试滤波器性能。
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。
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:
//从外部TX文件(SinIn.txt)读入数据作为测试激励
integer Pattern;
reg [11:0] stimulus[1:data_num];
initial
begin
//文件必须放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下
$readmemb("Excitation_Signal_Bin.txt",stimulus);
Pattern=0;
repeat(data_num)
begin
Pattern=Pattern+1;
Xin=stimulus[Pattern];
#clk_period;//采用并行结构,数据周期等于时钟周期
end
end
//将仿真数据dout写入外部TXT文件中(Response_Signal.txt)
integer file_out;
initial
begin
//文件放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下
file_out = $fopen("Response_Signal.txt");
if(!file_out)
begin
$display("could not open file!");
$finish;
end
end
wire rst_write;
wire signed [24:0] dout_s;
assign dout_s = Yout;//将dout转换成有符号数据
assign rst_write = clk& (reset_n);//产生写入时钟信号,复位状态时不写入数据
always @(posedge rst_write )
$fdisplay(file_out,"%d",dout_s);
然后在quartus ii中设置"Assignment->Settings"选择"EDA Tool Setting",设
置如下:主要就是选择modelsim。
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。
(5)Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。
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:
可以看到,800hz处信号被衰减,达到预期效果。
四、总结
(1)Fir滤波器阶数=抽头数目减去1。
(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。
(3).m文件返回值,可以在函数中指出。例如
function hn=Fir_Coefficient_Design
代码……
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude);
hn=Fir_Coefficient;
(4)也是困扰了我一晚上的,生成的IP核按照CB哥的教程放入自己新建的core文件夹下,启动modelsim进行仿真时总是提示" Library auk_dspip_lib not found",提示找不到这个库。
后来google了一下,在这个网址下
"/forum/showthread.php?t=29063"。一哥们给出解答:"Move your generated megafunction files back to the main project folder",需要把生成的FIR IP核全部文件放在工程目录下,好像这个Bug不影响其他的IP核,呵呵,日后用到其他IP核再说。
转自:/teenagerold/p/5100051606
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