Vivado2018.2联合Matlab的FIR滤波器设计与仿真

Introduction

目录

Introduction

新建工程（Create a New Porject）

输入正弦波叠加IP核实现

FIR低通滤波器设计

引出

matlab进行滤波器参数设计

窗函数法设计FIR滤波器

FIR滤波器系数量化

FIR滤波器系数导出

将.coe文件导入FIR IP核

Block Design连线&生成顶层模块

联合Modelsim波形仿真

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之前用过ISE和Quartus II一段时间，给我感觉二者界面并不是特别的友好，而且最近版（2018.2 Update）的ISE14.7最高支持Virtex-6系列，如图1：

图1  ISE14.7支持的芯片型号

Virtex-7系列Xilinx公司推荐使用Vivado，因为Xilinx公司的高端系列芯片基本都是基于Vivado开发的；另外一点，基于老师那边的项目用到了Virtex-7系列下的XCKU115， 因此这次就使用Vivado2018.2进行项目学习与开发，而且最近（2018.10）更新的Vivado2018.2安装之后发现它的界面风格是我比较喜欢的，如图2和3：

图2  Vivado2018.2界面1

图3  Vivado2018.2界面2

不得不说，IP核是一个很神奇的东西，通过它可大大减少我们的开发时间，而且Vivado中有很多IP核可以直接使用，例如数学运算（乘法器、除法器、浮点运算器等）、信号处理（FFT、DFT、DDS等），IP核类似编程中的函数库（例如C语言中的printf()函数），可以直接调用，非常方便。

本次也是基于FIR的IP核进行低通滤波器设计，滤波器参数由matlab的工具箱FDATool设计给出，输入波形为4MHz和5MHz的正弦波叠加，叠加过程由乘法器IP核实现，正弦波由DDS IP核实现，系统整体过程见下：

新建工程（Create a New Porject）

打开Vivado2018.2，点击Create Project选项，如图4：

图4  新建工程界面1

点击Next，如图5：

图5  新建工程界面2

命名工程（Project name）以及工程存储路径（Project Location），注意路径不要含空格和中文，空格用下划线替代，这里我取名为FIR＿blog，勾选上Create project subdirctory（创建工程子目录），点击Next

图6  工程命名和路径

选择工程类型（Project Type），如图6，一般对于普通的项目我们选择RTL Project（在设计PCB会用到I/Oplanning这种类型，用在原理图和封装兼容性设计），同时不勾选Do not specify sources at this time，后续再添加源文件就行，点击Next

图7  选择工程类型

添加源文件（Add Sources）和物理&时间约束引脚文件（Constraints），如图7和8，现在先不添加，直接点击Next就Ok

图8  添加源文件界面

图9  添加约束文件

选择芯片型号，因为老师的项目用到了Xilinx公司的V7系列XCKU115，我们选择该芯片型号，直接搜索就可以，

芯片封装型号：flvf1924   速度等级：3  ，点击Next

图10  选择芯片型号

最后生成Project Summary，这里可以查看上一步选择的芯片型号以及添加的源文件，由于我们没有添加源文件，因此显示No Source files...，点击Finish创建New Project成功。

图10  Porject Summary界面

 

输入正弦波叠加IP核实现

首先利用Vivado的DDS IP核生成两个正弦信号（频率分别为4MHz和5MHz）

• 点击创建Block Design，命名Design name，这里命名为dds_fir，如图12：

图11  创建模块界面1

图12  创建模块界面2

• 点击Add IP，如图13，直接搜索dds，双击DDS Compiler生成一个dds IP核，如图14所示

图13  添加IP核

图14  DDS IP核

• 选中DDS IP核双击，打开设置界面，对相关参数进行设置（Re-customize IP），如图15

图15  DDS IP核参数设置

Configuration界面设置如下图16：

图16  Configuration界面

Implementation设置如图17：

图17  Implementation界面

Detailed Implementation界面如图18所示：

图18  Detailed Implementation界面

Output Frequencies设置，如图19，这里我们仅用到一个通道，输出信号频率设置为4MHz，其他默认为0就行。

图19  Output Frequencies设置

按上述步骤设置完后的Summary如图20，点击OK

图20  Summary界面

• 选中DDS IP核点击鼠标右键copy，或者再次点击界面中的加号“+”添加一个新的DDS IP核，如图21，我们使用Ctrl+V复制粘贴原来的DDS IP核，将输出频率Output Frequencies设置中的通道1频率改为5MHz，点击OK

图21  再次添加一个DDS IP核

• 调用乘法器IP核将两路正弦信号进行混频，如图22

按上述方法添加一个乘法器IP核，搜索multiplier，双击Multiplier添加进去。

图22  添加乘法器IP

图23  乘法器IP

双击乘法器IP，进入Re-customize IP界面对IP核进行参数设置，输入位宽（A和B）选择8，其他参数默认即可。

图24  乘法器Ip核基本参数设置

 

FIR低通滤波器设计

引出

两路正弦信号（4MHz和5MHz）经混频后积化和差得到1MHz和MHz的混合信号，我们再设计一个FIR低通滤波器将高频的9MHz信号滤除掉，按上述添加IP核操作添加一个FIR IP核（搜索fir即可），如图25：

图25  添加FIR IP核

添加完FIR IP核后，那么我们如何对FIR低通滤波器的参数进行设计呢？？

matlab进行滤波器参数设计

窗函数法设计FIR滤波器

窗函数法设计滤波器的基本思想是：选择一种合适的理想频率选择性滤波器，然后将它的冲激响应截短以获得一个具有线性相位和因果的FIR滤波器，因此这种方法的关键是选区某种较好的窗函数，在滤波器性能给定的情况下，尽量选择主瓣窄，旁瓣峰值小的窗函数。

这里我们利用matlab的工具箱FDATool（当然也可以利用其他工具进行Filter设计，比如Filter Solutions等软件），打开matlab，在Command窗口输入fdatool打开滤波器设计界面，如图26所示：

图26  fdatool界面

在弹出的窗口中，在Response Type（滤波器响应类型）一栏中选择Lowpass（低通），Desgned Method（实现方法）选择Window（窗函数实现），即基于窗函数法设计FIR滤波器，我们在Options中选择Hamming窗，Filter Order中选择Special Order，滤波器阶数选择128（阶数越高，滤波效果越好，占用的芯片资源会更多些），Frequency  Specializations中单位Units选择MHz，采样频率Fs选择100MHz（根据奈奎斯特低通信号采样定理，采样频率至少高于信号的2倍，实际工程上一般得高于低通信号频率的5-10倍，如果信号频率过高的话，实际的AD采样频率核精度无法达到，所以工程上一般把低通信号经调制后搬到频率很高的载波上，再下变频到中频上用带通采样定理进行AD采样），之前提到采样频率高于信号频率的5-10倍就可以，因为我们这里FIR滤波器时钟是和板卡时钟连接在一起的，没有编写时钟分频模块，所以这里采样频率直接设置为100MHz（一个周期点数为100MHz/2MHz=50，板卡资源会浪费一些，但是不影响），截止频率Fc设为2MHz(1MHz的正弦波通过,9MHz的被滤除)，点击View和Design Filter按钮，设计的滤波器时域和频域波形（Time Domain and Frequency domain）以及幅相响应（Magnitude and Phase Response）如图27所示：

图27  滤波器时域、频域波形和幅相响应

FIR滤波器系数量化

点击如下图所示的Set quantization parameters按钮后,界面变为图29所示,选择Fixed Point（定点）

因为FPGA只能进行定点操作，而matlab可以进行浮点计算也可定点计算

图28  设置FIR量化参数

图29  固定点量化

按如图30所示进行设置,分子字长(Numerator word length)量化为16,这里涉及到FIR滤波器的知识,滤波器可以看出一个有输入有输出的黑盒子，其系统函数可表示为:

                                                                                         

实际中常用的基本是在有用频率内(本设计中即0-2MHz为有用频率,我们希望得到1MHz的正弦波)具有线性相位的FIR滤波器，因为如果不是线性相位,滤波器对有用信号的不同频率响应产生的相移不一致,便会造成输出信号失真的现象。

图30    滤波器量化参数说明

FIR滤波器系数导出

点击Filter Design菜单栏的Targets选项下拉菜单的Generate C Header和XILINX Coefficient(.COE) File，分别导出的是C的头文件和.coe文件（滤波器系数文件），C的头文件源码如图31所示，.coe文件如图32所示（因为滤波器阶数为128，所以系数个数为：阶数+1=129，这里参见滤波器知识，N阶滤波器系数为a0,a1,...,an，有N+1个系数）。

图31  C header源码

图32  .coe文件（1）

图32  .coe文件（2）

将.coe文件导入FIR IP核

Vivado中的FIR IP核支持.coe文件导入，C文件暂时无法导入，双击FIR IP核，打开Re-customize IP界面，如图33所示,左边是滤波器的频率响应。

图33   Re-customize IP界面

• Filter Options选项卡

Filter Coefficient中Select Source选中COE File，点击Browse按钮，添加.coe文件路径后Vivado自动将滤波器系数导入IP核中，Filter Specialization中Filter Type选择单速率型（Single Rate），抽取型（Decimation）和插值型（Interpolation）常用于特殊场合，抽取型一般多用于数字前端下变频抽取样值降低AD采样速率，插值型用于常用于提高采样速率，，这里我们选择Single Rate即可，如图34：

图34  Filter Options选项卡

• Channel Specialization选项卡

由于只使用一个通道，因此交织通道序列（Channel Sequence）选择Basic，通道数（Number of Channels）为1；板卡硬件过采样初始化（Hardware Oversampling Specialization中，输入该滤波器数据的采样速率（Input Sampling Frequency）为100MHz，IP核的工作时钟频率（Clock Frequency）为100MHz（即板卡时钟）

图35  Channel Specialization选项卡

• Implementation选项卡

导入系数后Vivado会根据导入的系数自动识别是何种类型的滤波器，根据滤波器的特点对FIR滤波器结构做性能优化，比如导入的是HalfBand Filter，Coefficient Structure中会出现Half Band一栏，在Coefficient Structure选项卡中会出现软件识别出的滤波器类型，这里软件识别为Inferred，我们也可设置为其他类型，如图36（1）所示

为使输出数据位宽位32，Output Rounding Modes（输出舍入模式）选择Truncate LSBs（截断最低有效位），这里我们保留了高32位，舍弃了低四位，若选择Full Precision（全精度输出），则输出数据位宽位36位，如图36（2）所示

图36（1）   Implementation选项卡

图36（2）   Implementation选项卡

• Detailed Implementation和Interface选项卡

Detailed Implementation和Interface选项按默认设置就可以，如图37（1）和（2）所示

图37（1）Detailed Implementation选项卡

图37（2）  Interface选项卡

• Summary选项卡

在Summary栏中对之前设置的滤波器参数进行总览，如图38，这里我们可以看到，输出位宽位32位，而非全精度输出Full Precision（36位），因为之前我们对它进行了截断（Truncate LSBs），把最低有效位LSB截断，保留了高32位。

图38  Summary选项卡

Block Design连线&生成顶层模块

• 按上述步骤对FIR滤波器参数设置完成后，将所有的IP核模块连接起来

选中aclk时钟端口，如图39，点击鼠标右键，选择Make external命令引出时钟端口线，再将所有IP核模块的时钟线连接起来，如图40

图39  引出CLK时钟端口

图40  连接时钟线

将所有的模块按下图41所示进行物理连接，并引出输出端口（Make external），Ctrl+S保存

图41  连线完成后的Block Design

• 生成top模块

如图42所示，选中左侧Sources栏中的bd文件（Block Design File）dds_fir，即图41所示的模块化框图，点击鼠标右键选择Create HDL Wrapper进入如图43所示的Create HDL Wrapper界面，选择Let Vivado manage wrapper and auto-update（让软件自动完成Top Module and IP核包装和更新）

图42   CreateHDL Wrapper操作界面

图43  Create HDL Wrapper界面

完成该操作后生成如图44所示的.v顶层文件（dds_fir_wrapper.v）和IP核接口例化文件（dds_fir.v），双击文件打开，如图45和图46所示，且IP核接口文件属性为只读（Read-Only），顶层文件可以修改，

图44  文件包含关系图

图45  顶层文件.v

图46  IP核接口例化文件.v

联合Modelsim波形仿真

• 编写testbench测试文件

我们编写一个仿真测试文件对上述Block Design进行功能/行为仿真，如图47所示，点击左侧Flow Navigator栏中的Add Sources添加源文件，

图47  添加仿真文件

选择Add or create simulation sources（添加或者创建仿真源文件），点击Next

图48  添加或创建仿真文件

添加源文件（Add Sources），这里我们创建一个新的file（Create File），如图49

图49  新建仿真文件

仿真文件命名：这里命名为fir_tb，如图50所示

图50  仿真文件命名

添加完成后，我们双击fir_tb打开，编写如下代码：

图51  测试文件代码

• 设置Modelsim仿真环境

完成上述操作后，我们可以选择第三方仿真工具Modelsim进行功能仿真，关于Vivado2018.2如何设置与Modelsim10.5的联合仿真参见我的下一篇博客。

• Run Simulation

点击左侧的Simulation->Run Simulation，如图52

图52  Run Behavioral Simulation

• Modelsim仿真结果

我们可以在Modelsim中添加想要观察的信号波形，操作方法见下图52所示，在左侧栏中为我们使用到的模块，选中该模块即可在Object窗口栏下看到该模块的输入和输出以及有效位，鼠标右键Add Wave即可添加，注意：由于这里采用的是Vivado自带DDS模块，输出正弦波，需要将Format更改为Analog（Automatic），如图54；同时，点击Modelsim工具栏中的Run All图标可以看到如下所示的完整波形。

图53  Modelsim仿真结果

图54  更改数据Format

由上图可知，4MHz和5MHz的正弦混频信号经过FIR低通滤波器后将9MHz的高频正弦信号滤除掉了，输出为我们需要的1MHz低频信号。

 

 

参考博客：https://blog.csdn.net/chinkwoyu/article/details/80262273

                  https://blog.csdn.net/weiweiliulu/article/details/40151053

                 https://blog.csdn.net/shichaog/article/details/50677386?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

 

欢迎一起学习交流，我的E-mail：[email protected]

为方面大家学习交流，现把我的工程文件放至Google云盘，链接如下：

https://drive.google.com/open?id=1k6wJdU0KU36cdTvAdeM6qWVWsu7csPIG