Xilinx濾波器IP核的延時(shí)問(wèn)題

前一段時(shí)間一直在研究通信系統(tǒng)，必然就會(huì)和各種濾波器打交道，同樣也遇到了一些問(wèn)題。比如說(shuō)本文的主要內(nèi)容，濾波器的延時(shí)問(wèn)題。

在生成濾波器IP核之前需要產(chǎn)生抽頭系數(shù)，這個(gè)抽頭系數(shù)的階數(shù)是自己設(shè)定的，階數(shù)越高代表濾波器乘累加運(yùn)算越多，但是階數(shù)大小的選擇要看是否滿足自己的設(shè)計(jì)要求（例如衰減db是否滿足要求）。同時(shí)，生成的濾波器抽頭系數(shù)的值是與自己設(shè)計(jì)濾波器的各種參數(shù)確定的，如數(shù)據(jù)采樣速率，通帶截止頻率、阻帶起始頻率（低通）、濾波器類型等。

這些抽頭系數(shù)可以用MATLAB生成，MATLAB中有一個(gè)FDATool的工具，以圖形化的方式供使用者產(chǎn)生所需的濾波器，然后將系數(shù)導(dǎo)出（以coe格式），這樣我們?cè)贗SE中新建FIR IP核之后就可以直接導(dǎo)入剛剛產(chǎn)生的抽頭系數(shù)表，非常方便。

下面直接開(kāi)始用MATLAB生成抽頭系數(shù)表：

1、利用 matlab 的 FDATool，產(chǎn)生需要的濾波器系數(shù)，打開(kāi)【FDATool】

2、濾波器參數(shù)設(shè)置

注意：

Order數(shù)=濾波器階數(shù)-1

盡量設(shè)計(jì)偶數(shù)階濾波器，偶數(shù)階濾波器乘法器利用率高。

3、濾波器系數(shù)量化

一般量化位數(shù)在12-16之間，量化位數(shù)越低乘法器消耗的資源越少，需要設(shè)計(jì)者權(quán)衡資源與精度。對(duì)于FIR Compiler，他使用的是DSP48 slices，經(jīng)測(cè)試14位輸入時(shí)16位量化位數(shù)與16位量化位數(shù)消耗相同資源，應(yīng)選擇16位系數(shù)。（至于為什么消耗相同的資源，是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/soft/data/30-91/" target="_blank">FPGA內(nèi)部的DSP48E1硬核乘法器是25*18的，所以無(wú)論是16位還是14位都會(huì)占用一個(gè)DSP）。

4、導(dǎo)出量化系數(shù)點(diǎn)擊【file -> export】

點(diǎn)擊【Export】，即可把數(shù)據(jù)導(dǎo)入fcf文件，保存后用UltraEdit打開(kāi)即可。

5、如果使用IP core則將16進(jìn)制數(shù)拷貝生成coe文件；

如果使用乘法/加法器則直接將數(shù)據(jù)在代碼中生成parameter。

注意：由于FIR的對(duì)稱性，parameter的數(shù)量為(階數(shù)+1)/2。

FIR Compiler生成：

1. 看圖說(shuō)話，基于s6的FIR，k7與其設(shè)計(jì)方式相同，都是5.0版本

2. （1）左邊的部分是通帶阻帶設(shè)計(jì)，如圖通帶0.0-0.5pi，阻帶0.5-1.0pi。（顯然，低通濾波器是以2pi為周期關(guān)于pi對(duì)稱，所以只需要設(shè)計(jì)0到pi的部分）

例如，濾波器參數(shù)80MSPS，通帶0-3.75MHz，阻帶8-40MHz，那么通帶參數(shù)0.0-0.09375pi，阻帶參數(shù)0.2-1.0pi。

（2）改成coe形式，然后找到coe文件，用“show”檢查濾波器系數(shù)。

注意：IP核生成后不能更換coe文件，coe文件數(shù)據(jù)不能更改，拷貝到其他目錄下或者其他電腦內(nèi)都會(huì)導(dǎo)致IP核失效。

解決辦法是刪除IP核重建，并且需要在ipconfig文件夾內(nèi)手動(dòng)刪除文件。

（3）時(shí)鐘頻率與輸入采樣數(shù)據(jù)速率。輸出數(shù)據(jù)速率與輸入采樣數(shù)據(jù)速率相等。時(shí)鐘頻率指的是提供給FIR工作的時(shí)鐘頻率，該參數(shù)影響復(fù)用，也就是影響DSP的復(fù)用。

3、 （1）濾波器系數(shù)設(shè)置，一般都是有符號(hào)數(shù)，寬度參見(jiàn)coe文件。

（2）輸入輸出設(shè)置，一般都是有符號(hào)數(shù)，輸出數(shù)據(jù)選擇全精度輸出，在FIR模塊外面再用assign代碼截位，這樣截位可控。

4. 一般選擇優(yōu)化目標(biāo)為area，節(jié)約資源。

5. 生成

點(diǎn)擊generate就可以了

濾波器輸出截位設(shè)置與測(cè)試：

濾波器截位調(diào)整的主要目的是使得輸入峰峰值接近最大量程的正弦波時(shí)經(jīng)過(guò)該濾波器能夠產(chǎn)生峰峰值接近最大量程的輸出正弦波，這樣做的目的是濾波器輸出的精度最大化。

好了，上面講了濾波器系數(shù)的產(chǎn)生及ISE中生成FIR IP核的方法，下面講一個(gè)問(wèn)題，就是濾波器延時(shí)的問(wèn)題。

在FPGA工程中調(diào)用FIR IP核，把系數(shù)文件導(dǎo)進(jìn)去，輸入進(jìn)FIR IP核的數(shù)據(jù)速率為2.5k，采樣速率為10k，F(xiàn)IR工作時(shí)鐘為50M。接著用Chipscope抓取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)送進(jìn)濾波器的數(shù)據(jù)會(huì)延時(shí)11ms輸出，直接上圖。第一張圖是輸入濾波器數(shù)據(jù)，第二張圖是濾波器輸出數(shù)據(jù)

后來(lái)查了一下FIR的datasheet，發(fā)現(xiàn)里面確實(shí)有這個(gè)延時(shí)相關(guān)的信息，數(shù)據(jù)手冊(cè)上說(shuō)這個(gè)延時(shí)其實(shí)可以直接在生成IP核的最后一頁(yè)的Summary中看到。。。。。。

打開(kāi)IP核后確實(shí)有這一項(xiàng)，而且數(shù)值也為11ms

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中也解釋了這個(gè)時(shí)延是FIR 的initial startup latency （初始化啟動(dòng)時(shí)延）

就是說(shuō)FIR會(huì)有一個(gè)初始化的時(shí)間，初始化完成后才開(kāi)始正常工作，而這個(gè)時(shí)延的大小與濾波器的參數(shù)有關(guān)，即濾波器階數(shù)、通道數(shù)、系數(shù)是否對(duì)稱，時(shí)延是這些參數(shù)的一個(gè)函數(shù)，但是沒(méi)有給出計(jì)算公式。所以只能理解這個(gè)時(shí)延究竟是什么。。。。。。

這里還有一個(gè)時(shí)延的說(shuō)明，貼個(gè)圖

翻譯：

FIR的時(shí)延周期個(gè)數(shù)是階數(shù)、濾波器類型、通道個(gè)數(shù)及系數(shù)是否對(duì)稱的函數(shù)。時(shí)延周期個(gè)數(shù)指的是從RFD失效（表明一個(gè)DIN引腳數(shù)據(jù)已經(jīng)被采樣到）到RDY引腳有效（表明濾波器輸出一個(gè)有效的數(shù)據(jù)）。

當(dāng)輸入數(shù)據(jù)速率與 ip core的工作時(shí)鐘一樣的時(shí)候，RFD信號(hào)引腳在每一個(gè)周期都不會(huì)失效。同樣對(duì)于單數(shù)據(jù)速率濾波器，RDY引腳也一直保持有效（就是說(shuō)當(dāng)工作時(shí)鐘與采樣時(shí)鐘相等時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘周期輸出的數(shù)據(jù)都是有效的）。在這種情況下，周期延時(shí)個(gè)數(shù)就表示輸入到FIR的采樣數(shù)據(jù)到這個(gè)數(shù)據(jù)輸出時(shí)需要經(jīng)過(guò)的周期個(gè)數(shù)。

對(duì)于那些將FIR配置成具有多通道抽取或內(nèi)插功能的情況，IP 核就會(huì)包含一些采樣的緩沖器，這些緩沖器會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，延時(shí)個(gè)數(shù)與緩沖器的大小有關(guān)。此時(shí)延時(shí)周期個(gè)數(shù)表示的是從輸入的最后一個(gè)采樣數(shù)據(jù)的RFD信號(hào)失效（表明輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)接收）到RDY信號(hào)的有效（輸出數(shù)據(jù)有效）。