FPGA学习笔记(六): FIR IP核的使用

笔记六是简单介绍FIR IP核的使用,它是借助MATLAB工具可以生成自己想要的FIR滤波器。此笔记同时介绍Multiplier IP核。

设计思路:用两个DDS产生两个正弦波信号，然后使用乘法器进行混频，再使用FIR滤波器进行滤波得到最后的滤波信号，同时使用MATLAB对滤波前后信号进行时频分析，验证结果。

1. 打开VIVADO，点击IP Catalog 

 2.搜索DDS，选择DDS Compiler，按照上节配置频率为3MHz和4MHz的DDS IP核。

 

 这里注意不勾选Has Phase Out

这里注意不勾选Output TREADY 

 

 输出频率为3MHz

按照上述步骤，配置4MHz的DDS，同样不勾选Has Phase Out以及不勾选Output TREADY。

3. 点击IP Catalog，搜索mult，选择Multiplier

 

 4. 配置Multiplier

位宽为8bit，因为DDS的输出位宽为8bit.

 

 5. 点击IP Catalog，搜索fir，选择FIR Complier.

6. 配置FIR

(1) 选择COE File，加载filter的coe文件 

(2) 配置系统时钟和采样频率，均为50MHz(据实际情况而定)

 

 (3) 第一个16是fir滤波器的抽头系数，第二个16是filter的输入位宽为16bit，混频器的输出位宽为16bit,选择symmetric，

7. filter的coe文件生成

(1) 打开MATLAB，输入fdatool 

(2) 选择低通滤波器，阶数设置15阶，采样频率为50MHz，通带截止频率为2MHz，阻带截止频率为3MHz,点击Design Filter.

(3) 选择左边窗口第三个，Set quantization parameters，选择定点数 Fixed-point，输入16,15阶的滤波器有16个抽头系数，然后点击Apply

(4) 点击上方Targets，选择coe文件，保存，就生成了filter的coe文件

; XILINX CORE Generator(tm)Distributed Arithmetic FIR filter coefficient (.COE) File
; Generated by MATLAB(R) 9.4 and DSP System Toolbox 9.6.
; Generated on: 14-Nov-2022 19:07:41
Radix = 16; 
Coefficient_Width = 16; 
CoefData = ec8b,
4785,
2a2b,
27c6,
2af7,
2ea0,
3175,
32f4,
32f4,
3175,
2ea0,
2af7,
27c6,
2a2b,
4785,
ec8b;

8. 顶层文件

文件的最后几段是将混频信号和滤波信号用text文件保存下来，文件的保存地址需要根据自己的路径进行更改，注意用斜杠隔开。

module dds_filter(
    input clk,					// 输入clk
    output sig1,				// 输出信号1
    output sig2,				// 输出信号2
    output sig3,				// 输出混频信号
    output filter_sig			// 输出滤波后信号
    );
    wire clk;					
    wire [7:0] sig1;
    wire [7:0] sig2;
    wire [15:0] sig3;
    wire [39:0] filter_sig;
// 例化DDS
dds_compiler_0 dds0 (
  .aclk(clk),                              // input wire aclk
  .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),  // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(sig1)    // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
);
//  例化DDS
dds_compiler_1 dds1 (
  .aclk(clk),                              // input wire aclk
  .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),  // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(sig2)    // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
);

//  例化MULT，输入为sig1和sig2，输出sig3
mult_gen_0 multi0 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sig1),      // input wire [7 : 0] A
  .B(sig2),      // input wire [7 : 0] B
  .P(sig3)      // output wire [15 : 0] P
);

// fir例化，输入为sig3，输出filter_sig
fir_compiler_0 fir_filter (
  .aclk(clk),                              // input wire aclk
  .s_axis_data_tvalid(1'b1),  // input wire s_axis_data_tvalid
  .s_axis_data_tready(s_axis_data_tready),  // output wire s_axis_data_tready
  .s_axis_data_tdata(sig3),    // input wire [15 : 0] s_axis_data_tdata
  .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid1),  // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(filter_sig)    // output wire [39 : 0] m_axis_data_tdata
);

// 创建文件夹，注意地址
integer dout_file1;
initial begin
    dout_file1=$fopen("F:/shiyan/lab/lab3/project_2_firfilter_sample/after_filter_data.txt");    //打开所创建的文件
      if(dout_file1 == 0)begin 
                $display ("can not open the file!");    //创建文件失败，显示can not open the file!
                $stop;
       end
end
// 以有符号数将filter_sig信号写入文件保存
always @(posedge clk)
     if(m_axis_data_tvalid1)        
       $fdisplay(dout_file1,"%d",$signed(filter_sig));    //保存有符号数据

// 创建文件夹，注意地址
integer dout_file2;
initial begin
    dout_file2=$fopen("F:/shiyan/lab/lab3/project_2_firfilter_sample/before_filter_data.txt");    //打开所创建的文件
      if(dout_file2 == 0)begin 
                $display ("can not open the file!");    //创建文件失败，显示can not open the file!
                $stop;
       end
end
// 以有符号数将sig3信号写入文件保存
always @(posedge clk)
     if(m_axis_data_tvalid1)        
       $fdisplay(dout_file2,"%d",$signed(sig3));    //保存有符号数据
endmodule

9.测试文件

module tb_dds_filter();
    reg clk;					// 输入时钟
    wire [7:0] sig1;			// 输出信号1
    wire [7:0] sig2;			// 输出信号2
    wire [15:0] sig3;			// 输出混频信号
    wire [39:0] filter_sig;		// 输出滤波信号
	// 例化
    dds_filter dds_tb(
     .clk(clk),
     .sig1(sig1),
     .sig2(sig2),
     .sig3(sig3),
     .filter_sig(filter_sig)
    );
	// 初始化
    initial 
    begin
    clk = 1;					//  clk为高电平
    end
    always #10 clk = ~clk;		//  clk周期为20ns
        
       

endmodule

 10. 结果展示

 11. MATLAB 分析，将保存的文件加载到MATLAB中做FFT分析。

        注意：MATLAB文件要和两个保存的text文件在同一文件里；len，len2的长度和具体运行之后的保存结果有关，需要根据自己的运行结果进行更改。

%% 对混频信号和滤波信号做时频域分析
clc                                 % 清屏
clear all;                          % 清除变量
close all;                          % 关闭所有窗口
% 加载文件
load before_filter_data.txt
load after_filter_data.txt
% 给文件命名
before=before_filter_data;
after=after_filter_data;
%% 绘图
figure(1);
plot(before);                       % 绘制混频信号
axis([0 200 -20000 20000])          % 坐标轴范围设置
title('滤波前混频信号时域波形');    % 标题
figure(2);
plot(after);                        % 绘制滤波后信号
axis([0 200 -2*10e8 2*10e8])        % 坐标轴范围设置
title('滤波后信号时域波形');        % 标题
%% FFT分析
fs=50e6;                            % 采样频率                    
len=55751;                          % 滤波信号长度
len2=55751;                         % 混频信号长度 
ff=fs/len;                          % 滤波信号频谱分辨率
ff2=fs/len2;                        % 混频信号频谱分辨率
f=-fs/2:ff:fs/2-ff;                  % 滤波信号频谱范围
f2=-fs/2:ff2:fs/2-ff2;               % 混频信号频谱范围
% FFT
bfft=fft(before);                   % 混频信号做FFT
afft=fft(after);                    % 滤波信号做FFT
figure(3);
plot(f2,abs(fftshift(bfft)));       % 绘制混频信号频谱
axis([-8e6,8e6,-inf,inf]);          % 坐标轴范围设置
title('滤波前混频信号频谱');        % 标题
figure(4);
plot(f,abs(fftshift(afft)));        % 绘制滤波信号频谱
axis([-2e6,2e6,-inf,inf]);          % 坐标轴范围设置
title('滤波后单频信号频谱');        % 标题

12.MATLAB时频分析结果