MAAB設計FPGA實現(xiàn)聯(lián)合ISE和Modelsim仿真的FIR濾波器設計

1、MATLAB設計，F(xiàn)PGA實現(xiàn)，聯(lián)合ISE和Modelsim仿真的FIR濾波器設計摘要：本文首先利用 MATLAB產(chǎn)生兩個頻率不一樣的正弦信號，并將這兩個正弦信號相加，得到一個混疊的波形；然后利用 MATLAB設計一個FIR低通濾波器，并由 Verilog實現(xiàn)，聯(lián)合ISE和Modelsim仿真，實現(xiàn)濾除頻率較高的信號，并將濾波后的數(shù)據(jù)送到MATLAB中分析。本文首先介紹FIR濾波器的基本原理，然后從目前最流行的的設計方式入手，逐步介紹FIR濾波器的設計，其流程圖如圖1所示：圖1FIR濾波器的基本原理：數(shù)字濾波器是從分析信號中提取用戶需要的信息，濾去不需要的信號成分或者干擾成分。數(shù)字濾波器的數(shù)學

2、模型：線性時不變數(shù)字濾波器的數(shù)學模型在時域中可以用線性常系數(shù)差分方程給出：yndkgyn k 1MkPqgxn qq 0其等效的Z變換為:H(z)PqgZqq 0N dkgz kk 1當dk全為0時，Z域系統(tǒng)函數(shù)只有零點，數(shù)字濾波器的單位脈沖響應有限，通常這用濾波器被稱為有限沖激響應( FIR濾波器。它的輸出只與當前的輸入和過去的輸 入有關，跟過去白輸出無關。 FIR濾波器的一個重要特性是具有線性相位，即系統(tǒng)的相 異和頻率成正比，可達到無失真?zhèn)鬏?。F1H油波器憶以用方框圖的形式方便地善承.用方框圖法表示有以下幾個好處：可通上 初察法容易地寫用算法,通過調賽桁落得到不同算法的等效框圖L可以容耕地

3、確定硬件的需 求：此外,還可以從傳輸函數(shù)所生成的框圖直接得到多種等效表示其直接形式的方框圖如圖G3所示.X*)圖63 直接形式的F出濾波制利用轉置定理，可以將直接型轉化為其等效的轉置式F1R濾波器,其結構如圖&4表示, 轉置FTR的優(yōu)點在于不需要紿豆切提供額外的移位寄存器，而旦也沒有必要為達到高速處理 給索枳的加法瑞添加酬外的流水線“圖I轉置式的FIR就板器更加詳細的介紹FIR濾波器的理論算法知識，請參考別的先關書籍資料、二、FIR濾波器的設計及驗證：1)由MATLAB產(chǎn)生FIR濾波器的輸入數(shù)據(jù)，并存放到 .txt文件中用MATLAB產(chǎn)生兩個頻率分別為：和2MHz的正弦信號，并將這兩個正弦信號

4、疊加,得到一個混疊的信號，并將這個混疊信號的波形數(shù)據(jù)存放到C盤根目錄下面的文件中。MATLAB實現(xiàn)代碼如下：clear all;fs = ; % 25M采樣率t = 0:1/fs:; % 共 * = 5000 個點fl = 500000;f2 = 2000000;signall = sin(2*pi*f1*t);%頻率為的正弦信號signal2 = sin(2*pi*f2*t);% 頻率為的正弦信%由于正、余弦波形的值在0,1之間，需要量化成16bit,先將數(shù)值放大y2 = fix(16384 + (2A14 - 1) * signall); % 量化到 15bity3 = fix(16384

5、 + (2A14 - 1) * signal2); % 量化到 15bity1 = y2 + y3; % 量化到 16bit%再將放大的浮點值量化，并寫道到存放在C盤的文本中fid = fopen(c:/, wt);fprintf(fid,%xn, y1); % 以16進制的格式將數(shù)據(jù)存放到.txt文件中。如果不用16進制，后面%讀數(shù)會出錯。fclose(fid);plot(y2, b);hold on;plot(y3, b);hold on;plot(y1, r);legend(正弦,2MHz正弦，兩者疊加)；title(MATLAB產(chǎn)生的兩個正弦信號的疊加波形);信號波形圖如圖2所示：圖2

6、存放數(shù)據(jù)的文件路徑、名稱已經(jīng)文本的內容如圖3所示:r：U1 LhblaiTu1 ifffl EJcSf2 UTinC lanb cb3a 匕Maff j crca eaaa I9Ba f8e3 MT Edd部傕三區(qū)如河訐圖3用MATLAB回讀C盤根目錄下的文件，驗證存入的波形數(shù)據(jù)是否正確，MATLAB代碼如下:fid = fopen(c:/,r);for i = 1 : 5001;%一共有 5001 個數(shù)據(jù)num(i) = fscanf(fid, %x, 1);%從fid所指的文件中，以16進制的方式讀出一個數(shù)據(jù) end fclose(fid);figure(2);plot(num,b);le

7、gend(MATLAB從txt文件中讀出的原始疊加波形數(shù)據(jù));title(直接回讀MATLAB產(chǎn)生的兩個正弦信號的疊加波形);顯示的波形如圖4所示：圖4對比圖4和圖2中的疊加波形，可知以上操作的正確性。2) 用MATLAB設計FIR濾波器輸入信號是頻率別為和 2MHz的正弦信號的疊加，我們的任務是設計一個低通濾波器濾 除掉2MHz的干擾信號。因此，我們可以設計一個采樣率為25MHz的低通濾波器，其通帶帶寬為1MHz,阻帶寬度為2MHzo通帶內紋波抖動為 1dB,阻帶下降為80dB。在MATLAB的命令窗口輸入：fdatool命令并回車，打開 FDATool工具箱，用 MATLAB的FDAToo

8、l工具設計該濾波器，參數(shù)設置如圖5所示：設計好參數(shù)后，點擊 DesignFilter,可以在FDATool窗口的左上角看到濾波器的階數(shù)為63 階，點擊 File Generate M-file ,并將濾波器命名為mylowfilter 。-/ Ufil1,*T Uxi An.-iiJ.jrsi,s T*nlL Lvii.i.O4. Ed怯 t JTi2? 1 An 11 yai s I aj_gel. a Yi tn 二ndkx字0昌口啰aqULrrent Fltet InformaticnX B同0日瓦普8出蝎kJ。國田應xludfe RespOTse &)，! Al討i uclj使一tur

9、eet-F 前m -IROiJct.B3Et 岫 bVocSizizciDskjrieii抑刑m端例曲曲的Wm心Slo埠Fl的二Filter M jlager.1012低通強波器采樣期率25MHzl Freouancy pgcrtlEMi-Il rjagntude ioe=licatmsH g 叩:mC 加MCH3AQ-3-3：Denstv Fidcir 回替寬1MHr對帝帝等7MH7阻帶衰減8DdB顓率耒樣中的等效/溺扣IDeaigning Filter Dons編寫如下代碼，濾除混疊信號中的高頻信號。Hd = mylowfilter; % 濾波器名稱output = filter(Hd,

10、y1); % 對疊加彳t號 y ,進行濾波處理 figure(3);plot(y2, k);hold on;plot(output, r);legend(原始信號,濾波后取出的信號);title(信號通過 MTALAB的低通濾波器后的波形);濾波后的波形如圖6所示:生成.coe文件，用于Xilinx的IPCore設計濾波器,FDATool窗 口點擊 File Export，保數(shù)組，這就是濾波器的系數(shù)，如圖7所示:E xU-Fi1看 iRerMlerrkue交!（是保存力也篁耳就由：!mimTuni0 .Oaz：-EBRZBM,3E-Sa-E?iy二 I R二二丁F0. 小叩陽煙 JiWi.i.

11、r JU干*4 口Q 8L由4l 2nMmm411LUAQ. DCS工MlhlH&M,O.KLH4RTttMXMHI|i|0 WL1M6CI4i5 SM! - - -ompmiLife E.13 L feTcklsnEl K IijOWLK Tjv flLLd-：* U“1 Jj商分LI n產(chǎn)尸耳 ti陽皿國坦總士一 =?h OEM 中 V J器SSM 武 BIIIDaxs:9M w s M s r- 1- r. .tqn.LJ.taJbWi2UtiULMjW3&afl如HE闞gp值Ltn. wgj*Te雁事ft n才q1M4DHu33 ar:Mi4i 一“CMrf= CUldlllfti B

12、bs I*1A *3Z5，:，*式 - 4*ah ticb * i.QuutfDf *mi；eI5Ej f s d iE-E-rJfa ceuid Sua. nix 士. fihx* +i-27t + 工：口:Til = f-:nn t fItch- Erl 舒。.* IG事篁E巾=持默認設置，點擊Export即可，次數(shù)在MATLAB的workspace窗口多出一個 Num的1*64的圖7由于MATLAB生成的濾波器系數(shù)全是一些小數(shù)，而FPGA只能處理整數(shù)，因此我們必須將這些小數(shù)擴大一定的倍數(shù)，使它們變成整數(shù)。在MATLAB的命令窗口輸入下面的一段代碼然后按Enter,即可將上面這些系數(shù)變?yōu)檎?/p>

13、數(shù)，注意這里的*32767,表示將系數(shù)擴大32767倍，這里的擴大倍數(shù)只能選 24，目的是為 了后面濾波后的波形數(shù)據(jù)的高位截取（丟掉低位，即除以2AN）。返回ans=0,表示操作正確。coeff=round(Num/max(abs(Num)*32767);% abs()求絕對值，max()求最大值，round()四舍五入fid = fopen(e:/,wt); %將濾波器系數(shù)寫入文件件中fprintf(fid,%n,coeff);%將濾波器系數(shù)以16位浮點數(shù)的格式保存fclose(fid)程序運行的結果如圖8所示：圖8將文件的格式改為.coe格式，在文件的開口加上：radix = 10;coe

14、fdata =在每個數(shù)字前的空格處加一個逗號“，”，并在最后一個數(shù)字后面加上分號“ 如圖9所示：圖9這樣就產(chǎn)生了可供 FIR濾波器的IPCore可調用的.coe文件。3）用Verilog編程讀取MATLAB產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)通過Verilog 的$readmemh（）函數(shù)即可讀出.txt文件中的數(shù)據(jù)（這里的數(shù)據(jù)是以16進制形 式存儲的），具體用法如下：a) reg15:0data_in0:2000; HMBlp %WlUMtnLLLiWUHn 1* CvU*.處11英:！H LU” lT：皿中血皿巾1口 . IlEKEKOBUEaD JLIUM1MIA|* da&jra*由 g dH心土 因3Kk

15、 ： 3幅 Ma:Md E 而 aaa Rte fK:6H 3 薊 汗2: fRT 曜1方 33 L 皿 Wv 眼近溫匚？fff 通三己l &；董至k 供3 麗 |B 肅 MLhjq.immcmMi:事由w fsw口. H：W4I44V33LHl|LK* rS_lq0* *_貓I* r4p_Lq0oe文件導入濾波器的系數(shù)。b） 輸入信號的采樣頻率為 25MHz，這里必須和 MATLAB產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)的采樣頻率保 持一致。c） FIR濾波器的運行時鐘，這里我們選擇 250MHz,這里必須和仿真文件里給的時鐘 保持一致。d）輸入數(shù)據(jù)的類型，我們這里選擇了無符號數(shù)，輸入數(shù)據(jù)位寬為16bit,因為mo

16、delsim不能讀出負數(shù)（要么用補碼，要么加偏移）。如圖11、圖12所示:口aunki 行呼 Fnq. Rsspansfl蚓FIR Compileram. i 伊 zftr _m 聲 ha r; 5Jfid ta Dwbv ! t 七中 LI-：JI其H MfeK - IWJCtfftl ifi3TgGf 位坪 J . 14l.l ei#歸的斤由守f -啪峙A r-sI 咐m(xù)w，2明*iilk(clk), fd(rfd), dy(rdy), in(data_in_reg), out(dout); xt 文件中 * clear all;fs = ; % 25M采樣率t = 0:1/fs:;% 共

17、 * = 5000 個點fl = 500000;f2 = 2000000;signall = sin(2*pi*f1*t); %頻率為的正弦信號signal2 = sin(2*pi*f2*t); %頻率為的正弦信號%y1 = signall + signal2; %兩個正弦信號疊加%x = linspace(0, , 2048); %在區(qū)間0, = 2*pi之間等間隔的取 1024個點%y1 = sin(x); %計算相應的余弦值%由于正、余弦波形的值在0,1之間，需要量化成16bit,先將數(shù)值放大 %y1 = y1 * 32768; % 32 * 1024 = 32768%y1 = y1 *

18、 16384; % 32 * 1024 = 32768%y1 = y1 + 32768;y2 = fix(16384 + (2A14 - 1) * signall);y3 = fix(16384 + (2A14 - 1) * signal2);y1 = y2 + y3;C 盤的文本中% 再將放大的浮點值量化，并寫道到存放在fid = fopen(c:/, wt);%fprintf(fid, %n, y1); % 在寫文件時量化為實數(shù)】，范圍是：-32768 - 32767fprintf(fid, %xn, y1); % 在寫文件時量化為實數(shù)】，范圍是：-32768 - 32767fclose(

19、fid);figure(1);plot(y2, b);hold on;plot(y3, b);hold on;plot(y1, r);legend(正弦,2MHz正弦，兩者疊加)；title(MATLAB 產(chǎn)生的兩個正弦信號的疊加波形16bit 的定點實數(shù)【%,表示16bit 定點數(shù)，16bit 的定點實數(shù)【%,表示16bit 定點數(shù)，);f 表示f 表示%*MATLAB.txt 文件中的信號*fid = fopen(c:/,r);for i = 1 : 5001;%num(i) = fscanf(fid, %f, 1);%從 fid 所指的文件中，以實數(shù)的方式讀出一個數(shù)據(jù)num(i) = fscanf(fid, %x, 1);%從 fid 所指的文件中，以實數(shù)的方式讀出一個數(shù)據(jù)endfclose(fid);figure(2);plot(num,b);legend(MATLAB 從 txt 文件中讀出的原始疊加波形數(shù)據(jù));title（直接回讀MATLAB產(chǎn)生的兩個正弦信號的疊加波形）;%*MATLAB設計FIR濾波器并對比濾波器前后