淺談matlab+vivado設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器

1，MATLAB代碼仿真。

首先介紹下信號(hào)混頻的相關(guān)概念?；祛l就是把兩個(gè)不同頻率的信號(hào)混合，得到第三個(gè)頻率。數(shù)字電路中最常見(jiàn)的混頻方法就是將兩個(gè)信號(hào)相乘。將兩個(gè)頻率為 f0，f1 的正弦波進(jìn)行相乘，根據(jù)積化和差公式，得到兩個(gè)頻率分量為 f0+f1 ，f0-f1 的信號(hào)。

數(shù)字混頻在通信的調(diào)制，解調(diào)，DUC（數(shù)字上變頻），DDC（數(shù)字下變頻）等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。通常把其中一個(gè)信號(hào)稱為本振信號(hào)（ local oscillator ），另一個(gè)我信號(hào)稱為混頻器的輸入信號(hào)。

下面的matlab代碼用于驗(yàn)證混頻器的設(shè)計(jì)。

%%信號(hào)混頻

%%將兩個(gè)頻率為 f0，f1 的正弦波進(jìn)行相乘，根據(jù)積化和差公式，得到兩個(gè)頻率分量為 f0+f1 ，f0-f1 的信號(hào)

clear all;close all;clc;

fs = 100*10e6; %采樣頻率 100MHz

f1 = 2*10e6; %信號(hào)0的頻率 2MHz

f0 = 1.5*10e6; %信號(hào)1的頻率 1.5MHz

fpass =1.7*10e6; %低通濾波器通帶頻率

fstop =1.9*10e6; %低通濾波器截止頻率

DIV = 16

N = 4096; %采樣點(diǎn)數(shù)

t = 0 ： 1/fs ： （N-1）/fs; %設(shè)置采樣時(shí)間

Sig0 = sin （2*pi*f0*t）; %生成信號(hào)0

Sig1 = sin （2*pi*f1*t）; %生成信號(hào)1

Sig = Sig0 .*Sig1; %兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相乘

% 進(jìn)行快速傅里葉變化，得到頻譜

XK0 = fft（Sig0）;

XK1 = fft（Sig1）;

XK = fft（Sig）;

%設(shè)置頻率

f = （ 0:N/DIV-1 ）*fs/（ N * 10e6 ）; %單位設(shè)置為MHz

Amax = max （abs（ XK（1:N/DIV）））;

f0 = ［0 fpass/（10e6 ） fstop/（10e6 ） （ N/DIV-1 ）*fs/（ N * 10e6 ） ］;

A = ［ Amax Amax 0 0 ］;

%繪制時(shí)域波形圖

figure（1）;

subplot（3，1，1）; plot（t，Sig0）; title（“頻率為1.5MHz的正弦信號(hào)”）;xlabel（“時(shí)間（s）”）;ylabel（“幅度”）;

subplot（3，1，2）; plot（t，Sig1）; title（“頻率為2.0MHz的正弦信號(hào)”）;xlabel（“時(shí)間（s）”）;ylabel（“幅度”）;

subplot（3，1，3）; plot（t，Sig）; title（“1.5MHz和2.0MHz正弦波相乘得到的信號(hào)”）;xlabel（“時(shí)間（s）”）;ylabel（“幅度”）;

%繪制頻域圖

figure（2）;

subplot（3，1，1）; plot（f， （ abs（ XK0（1:N/DIV） ） ） ）;title（“1.5MHz正弦信號(hào)的頻譜”）;xlabel（“頻率（MHz）”）;ylabel（“幅度”）;

subplot（3，1，2）; plot（f， （ abs（ XK1（1:N/DIV） ） ） ）;title（“2.0MHz正弦信號(hào)的頻譜”）;xlabel（“頻率（MHz）”）;ylabel（“幅度”）;

subplot（3，1，3）; plot（f， （ abs（ XK（1:N/DIV） ） ） ）;title（“1.5MHz和2.0MHz正弦波相乘得到的信號(hào)的頻譜”）;xlabel（“頻率（MHz）”）;ylabel（“幅度”）;

hold on;

%低通濾波器示意圖

plot（ f0 ，A ）;

在該仿真代碼中，設(shè)置采樣時(shí)鐘為100MHz，兩個(gè)信號(hào)的頻率分別為1.5MHz 和2.0 MHz 。兩個(gè)信號(hào)相乘后，產(chǎn)生一個(gè)頻率分量為 0.5MHz （ 2.0MHz - 1.5MHz ） 和3.5MHz （ 2.0MHz + 1.5MHz ） 的信號(hào)。時(shí)域圖顯示如下：

頻域圖顯示如下：

如圖上所示，混頻后得到了兩個(gè)頻率頻率分量為 0.5MHz 和 3.5 MHz的信號(hào)。將該信號(hào)通過(guò)一個(gè)截止頻率為2.0MHz左右的濾波器中，即可過(guò)濾掉 3.5 MHz的高頻信號(hào)，只留下 0.5MHz的信號(hào)。即如上圖橙色曲線所示。

2.MATLAB設(shè)計(jì)濾波器系數(shù)。

利用matlab的 濾波器設(shè)計(jì)工具箱（ Filter Designer ）可以非常方便地設(shè)計(jì)出符合工程要求的濾波器，在該工具箱中可以直接導(dǎo)出用于FPGA 濾波器設(shè)計(jì)的系數(shù)文件。打開(kāi)該工具箱后，默認(rèn)顯示如下：

進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置：

濾波器類型：低通濾波器

濾波器形式：fir

濾波器階數(shù)：100

頻率單位：MHz

采樣頻率：100MHz

通帶頻率：1MHz

截止頻率：2MHz

濾波器參數(shù)設(shè)置好后，點(diǎn)擊 Designer Filter 按鈕，稍等片刻，即可出現(xiàn)設(shè)計(jì)好的濾波器的頻幅相應(yīng)曲線。【注】由于是初學(xué)乍練，以上的參數(shù)設(shè)計(jì)的不一定合理，其中某些概念還不是很懂，還望通信大神指點(diǎn)。

由于要在FPGA中使用，還要將浮點(diǎn)型的系數(shù)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)。如下圖設(shè)置，設(shè)置輸出格式為定點(diǎn)數(shù)，位寬為16bit.

接下來(lái)就可以生成用于FPGA設(shè)計(jì)的系數(shù)文件了。在菜單【 Targets 】下點(diǎn)擊【 XILINX coefficient（.coe）file 】，保存即可。

.coe文件中的內(nèi)容大致如下，存儲(chǔ)了濾波器的各個(gè)系數(shù)，用16進(jìn)制表示。

至此，濾波器就設(shè)置完成了。

3.建立FPGA工程。

利用xilinx 的vivado工具來(lái)建立 fir 濾波器系統(tǒng)，對(duì)上述的matlab 程序進(jìn)行硬件驗(yàn)證。兩路正弦波信號(hào)可以用vivado 的DDS IP生成，乘法操作用乘法器IP實(shí)現(xiàn)，用vivado自帶的fir 濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。利用vivado 的 block design 工具，可以不寫(xiě)一行代碼，實(shí)現(xiàn)FPGA系統(tǒng)的搭建。先預(yù)覽下搭建好的一個(gè)簡(jiǎn)單的fir 系統(tǒng)工程。

該工程中，利用兩個(gè)DDS 輸出 1.5MHz 和 2.0MHz 的正弦波，利用乘法器IP進(jìn)行兩路信號(hào)的相乘，實(shí)現(xiàn)混頻操作。再講混頻的信號(hào)通過(guò)一個(gè)fir濾波器，實(shí)現(xiàn)濾波操作。先亮以下仿真結(jié)果，漂亮的波形圖。

濾波器完美輸出了0.5MHz的波形，濾掉了3.5MHz的高頻波。不過(guò)這是在仿真中的結(jié)果，在實(shí)際工程中，輸入的信號(hào)可能含有噪聲，失真等缺陷，實(shí)際效果不可能如此完美，但這個(gè)仿真結(jié)果也可以說(shuō)明問(wèn)題，在理想的輸入下，該濾波器可以完美地濾掉高頻波。下面詳細(xì)介紹 FPGA 工程的搭建。

1，建立 block design 工程。

在vivado 工具中點(diǎn)擊 create block design ，輸入 fir_system （ 該名稱可以任意指定 ）。

2，添加IP。

在新打開(kāi)的 Diagram 視圖中，添加IP 塊。點(diǎn)擊 “ + ”號(hào)，在彈出的對(duì)話框中輸入DDS，雙擊DDS compiler ，即可將DDS IP 加入到塊圖中。

按照上面的方法依次添加兩個(gè) DDS（ DDS compiler ） IP ，兩個(gè)截位（ slice ）IP ，一個(gè)fir濾波器（fir compiler） IP，一個(gè)乘法器（ mult ）IP，如下圖。

3，設(shè)置IP。

IP添加后，還有經(jīng)過(guò)配置參數(shù)才能使用。雙擊IP 塊即可進(jìn)行配置。

（1）DDS配置。

兩個(gè)DDS模塊，一塊設(shè)置輸出為2.0MHz，一個(gè)設(shè)置輸出為1.5MHZ，其余設(shè)置保持相同即可。時(shí)鐘頻率一定要設(shè)置為100MHz，和前面matlab仿真保持一致。

另一個(gè)DDS設(shè)置為1.5MHz 。設(shè)置方法同上。需要注意的是，如上圖顯示，輸出數(shù)據(jù)端口（MAXISDATA_TDATA）為16bit ，高8位為 正弦波（sin）數(shù)據(jù)，低8位為余弦波（cos）數(shù)據(jù)。

（2）slice IP設(shè)置。

該IP用于截位操作，設(shè)置如下，輸入為16bit，輸出為8bit，為16bit的bit7到bit0.位寬為8bit.該IP用于截取從DDS輸出的正弦波數(shù)據(jù)。

（3）乘法器IP配置。

輸入位寬設(shè)置為8bit 有符號(hào)數(shù)，流水線級(jí)數(shù)采用建議的延時(shí)，設(shè)置為3.表示從輸入到乘法結(jié)果輸出經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)。其余可保持默認(rèn)。

（4）移位寄存器設(shè)置。

移位寄存器用以延時(shí)數(shù)據(jù)有效信號(hào)，使其與乘法器的輸出保持同步。由于乘法器有3個(gè)時(shí)鐘的延遲，故將移位寄存器深度也設(shè)置為3，使其輸出比輸入延遲3個(gè)時(shí)鐘周期。其余可保持默認(rèn)。

（5）fir濾波器配置。

濾波器的系數(shù)設(shè)置為coe文件，加載前面在matlab生成的coe文件，稍等片刻即可在左邊窗口看到該濾波器的幅頻響應(yīng)曲線。將輸入采樣頻率和時(shí)鐘頻率都設(shè)置為100MHz。其余可默認(rèn)。

4，引出端口。

鼠標(biāo)選中端口，右鍵選擇 make external，即可導(dǎo)出端口。

5，IP連接。

IP最終連接如下圖。

6，生成代碼。

按照下圖，選中塊設(shè)計(jì)，右鍵先選擇 “ generate output product.。?！?，等待完成后在選擇 “create HDL wrapper.。?！?，即可自動(dòng)生成頂層代碼。

如果出現(xiàn)下面的界面，可選擇下拉菜單中的最大值，這個(gè)選項(xiàng)表示運(yùn)行時(shí)vivado軟件可使用的最大核心數(shù)。

最終自動(dòng)生成的頂層代碼如下，就是對(duì)建立的原理圖工程做了模塊調(diào)用，其本質(zhì)還是Verilog代碼。

4，F(xiàn)PGA仿真驗(yàn)證。建立如下的測(cè)試文件：

module tb_fir（ ）;

wire ［7:0］adc0_sin;

wire ［7:0］adc1_sin;

wire ［15:0］fir_in;

wire ［39:0］fir_out_tdata;

wire fir_out_tvalid;

reg sysclk;

fir_system_wrapper fir_system_wrapper

（

.adc0_sin （ adc0_sin ），

.adc1_sin （ adc1_sin ），

.fir_in （ fir_in ），

.fir_out_tdata （ fir_out_tdata ），

.fir_out_tvalid （ fir_out_tvalid ），

.sysclk （ sysclk ）

）;

initial

begin

sysclk = 0;

#50000 $stop（2）;

end

always #5 sysclk = ~sysclk;

Endmodule

由于該工程的邏輯已在源代碼中完成，故在測(cè)試文件只是對(duì)頂層模塊做了例化和產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。最后仿真結(jié)果如下圖：

濾波器完美輸出了0.5MHz的波形，濾掉了3.5MHz的高頻波。

編輯：jq