利用FPGA的IP核实现FIR滤波器

一、首先是设计指标：
采用最优化设计方法（firpm），设计一个阶数为16阶（长度为17）的线性相位低通FIR滤波器，截止频率为500hz，fs=2000hz。，系数量化位数为12bit，输入数据位宽为12bit，输出数据位宽为25Bit，系统时钟为2khz。

二、设计流程：
（1）利用MATLAB设计滤波器系数，浮点数类型。
（2）Matlab测试滤波器性能，输入观察输出。
（3）利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。
（4）编写testbench，测试滤波器性能。输入Matlab产生的激励文本文件，
             输出硬件处理后的信号，写入文本文件中。
（5）Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。
三、设计步骤：
1，利用MATLAB设计滤波器系数。代码如下：
function hn=Fir_Coefficient_Design
N=17;      %滤波器长度
Sample_Freq=2000;   %采样频率
fc=500;    %低通滤波器的通带截止频率
B=12;      %量化位数
Cut_Off_Freq=[0 500 700 Sample_Freq/2];
Cut_Off_Freq=Cut_Off_Freq./(Sample_Freq/2); %归一化
Fir_Amplitude=[1 1 0 0];
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude);
hn=Fir_Coefficient;
freqz(Fir_Coefficient,1,1024,Sample_Freq);

注意MATLAB中频率归一化是针对fs/2，即采样率的一半。

接下来将滤波器系数写入文本文件中，
fid=fopen('Fir_Coefficient.txt','w');
for k=1:length(Fir_Coefficient)   
      fprintf(fid,'%.14f',Fir_Coefficient(k));
      if(k~=length(Fir_Coefficient) )         
       fprintf(fid,'\r\n');
      end
end
fclose(fid);
由于采用FIR Complier13.0，其中的用户手册有这么一句：



需要注意的就是最后一个系数后面不能有回车，否则导入系数文件的时候又会被FIR Complier识别为一个新的系数。这样，系数就被写进了文本文件Fir_Coefficient.txt
（2）Matlab测试滤波器性能，输入观察输出。
    思路就是生成两个信号，一个在通带内，一个在阻带内，然后调用filter函数进行滤波处理，观察输出信号的频谱。代码如下：   
f1=200;       %信号1频率为200Hz
f2=800;       %信号2频率为800Hz
Fs=2000;      %采样频率为2KHz
N=12;         %量化位数
t=0:1/Fs:1;
c1=2*pi*f1*t;
c2=2*pi*f2*t;
s1=sin(c1);%产生正弦波
s2=sin(c2);%产生正弦波
s=s1+s2;   %产生两个单载波合成后的信号
s=s/max(abs(s));%归一化处理
Q_s=round(s*(2^(N-1)-1));%12比特量化
%调用自已设计的滤波器函数对信号进行滤波
hn=Fir_Coefficient_Design;
Filter_s=filter(hn,1,Q_s);
然后观察输入输出频谱：可以看到800hz处的信号被衰减在-40db一下，符
合要求。


接下来将测试信号以二进制数据格式写入Excitation_Signal_Bin.txt文件中，供给第四步仿真FPGA时testbench调用。
    fid=fopen('Excitation_Signal_Bin.txt','w');
for i=1:length(Q_s)
   B_s=dec2bin(Q_s(i)+(Q_s(i)<0)*2^N,N)
   for j=1:N
      if B_s(j)=='1'
          tb=1;
      else
          tb=0;
      end
      fprintf(fid,'%d',tb);  
   end
   fprintf(fid,'\r\n');
end
fprintf(fid,';');
fclose(fid);

（3）利用FPGA的FIR滤波器IP核设计滤波器。

    这个Altera提供的FIR Compiler v13.0有些老了，现在有FIR Compiler II v13.0，也就是2.0版本的FIR的IP核。这里还是用FIR Compiler v13.0吧，2.0版本日后再研究研究。
    打开MegaWizard Plug-In Manager，选择FIR Compiler v13.0，特别需要注意的是文件保存位置！只能保存在当前的工程目录下，不能放在别的文件夹里面！如果不放在工程目录下，后一步的modeisim仿真就会出错！

   
接下来就是参数设置，单击上方的"Edit Coefficient"，跳出"Coefficient Generator Dialog"对话框，选择下方的"Imported Coefficient Set"，导入之前设计的滤波器系数"Fir_Coefficient.txt"。
    输入输出声明如下，输入一路，有符号二进制数，输入位宽12bit，输出选择基于"实际的系数"，"全精度"。输出位宽这里计算出是25bit。
     
系数量化单位选择12bit，滤波器结构选择"分布式算法，全并行结构"，流水级数选择1，数据和滤波器系数的存储都选择"Logic Cells"。这里 有什么不懂的，就要多看用户手册，写的比较清楚。

     

接下来选择step 2,生成仿真文件，选择"Verilog HDL"，还可以生成.m文件供MATLAB进行仿真分析，最后，Step3: Generate，这样整个滤波器便设计完成了。
接下来编写.v文件例化，即可。其输入输出信号参见IP核用户手册即可。这里给出代码参考：
    module Fir_FPGA (
    reset_n,clk,Xin,
    Yout);   
    input        reset_n;   //复位信号，低电平有效
    input        clk;       //FPGA系统时钟/数据速率：2kHz
    input     signed [11:0]    Xin;  //数据输入频率为2kHZ
    output signed [24:0]    Yout; //滤波后的输出数据
    wire ast_sink_valid,ast_source_ready,ast_source_valid;
    wire [1:0] ast_source_error;
    wire [1:0] ast_sink_error;
    assign ast_sink_valid=1'b1;
    assign ast_source_ready=1'b1;
    assign ast_sink_error=2'd0;
    fir    u_fir(
        .clk(clk),
        .reset_n(reset_n),
        .ast_sink_data(Xin),
        .ast_sink_valid(ast_sink_valid),
        .ast_source_ready(ast_source_ready),
        .ast_sink_error(ast_sink_error),
        .ast_source_data(Yout),
        .ast_sink_ready(ast_sink_ready),
        .ast_source_valid(ast_source_valid),
        .ast_source_error(ast_source_error));
（4）编写testbench，测试滤波器性能。   
主要就是将第二步MATLAB生成的激励信号输入module，然后将输出写入文本文件，供下一步MATLAB进行分析。
    这里采用Quartus II 软件的"processing->start->start Test Bench Template Writer"选项自动生成模块测试文件（Fir_FPGA.vt），该目录自动存储在"工程目录\simulation\modelsim"下，然后打开文件，编写文件即可。主要是时钟，复位信号，按照时钟节拍输入和输出数据。这里给出输入和输出：
    //从外部TX文件(SinIn.txt)读入数据作为测试激励
integer Pattern;
reg [11:0] stimulus[1:data_num];
initial
begin
  //文件必须放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下   
    $readmemb("Excitation_Signal_Bin.txt",stimulus);
    Pattern=0;
    repeat(data_num)
        begin
            Pattern=Pattern+1;
            Xin=stimulus[Pattern];
            #clk_period;//采用并行结构,数据周期等于时钟周期
        end
end

//将仿真数据dout写入外部TXT文件中(Response_Signal.txt)
integer file_out;
initial
begin
  //文件放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下                                                  
    file_out = $fopen("Response_Signal.txt");
    if(!file_out)
        begin
            $display("could not open file!");
            $finish;
        end
end
wire rst_write;
wire signed [24:0] dout_s;
assign dout_s = Yout;                   //将dout转换成有符号数据
assign rst_write = clk& (reset_n);//产生写入时钟信号，复位状态时不写入数据
always @(posedge rst_write )
    $fdisplay(file_out,"%d",dout_s);
    然后在quartus ii中设置"Assignment->Settings"选择"EDA Tool Setting"，设
置如下：主要就是选择modelsim。


    再选择下边的"Simulation"，设置仿真工具名称（Modelsin-Altera），下面的NativeLink setting，选中第二项"Compile test bench"，选择上面编辑的Fir_FPGA.vt，设置好名称之类的选项后，选择quartus ii 中的"Tool->Run simulation tool->RT Simulation"，就可以启动Modelsim进行仿真。仿真完成后，处理后数据自动保存在Response_Signal.txt中。

（5）Matlab分析硬件处理后保存在文本文件中的信号。

    最后，用MATLAB分析Response_Signal.txt中的数据，主要就是输入输出的频谱情况。分析结果如下：   

可以看到，800hz处信号被衰减，达到预期效果。
四、总结
（1）Fir滤波器阶数=抽头数目减去1。
（2）firpm函数使用偶数阶系数，偶对称，总是在奈奎斯特频率处不为0。
（3）.m文件返回值，可以在函数中指出。例如
function hn=Fir_Coefficient_Design
代码……
Fir_Coefficient=firpm(N-1,Cut_Off_Freq,Fir_Amplitude);
hn=Fir_Coefficient;

利用FPGA的IP核实现FIR滤波器