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【Verilog】7.2.1 Verilog 并行 FIR 滤波器设计_并行滤波器verilog
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FIR（Finite Impulse Response）滤波器是一种有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器。
FIR 滤波器具有严格的线性相频特性，同时其单位响应是有限长的，因而是稳定的系统，在数字通信、图像处理等领域都有着广泛的应用。
FIR 滤波器原理
FIR 滤波器是有限长单位冲击响应滤波器。直接型结构如下：
FIR 滤波器本质上就是输入信号与单位冲击响应函数的卷积，表达式如下：
FIR 滤波器有如下几个特性：
(1) 响应是有限长序列。
(2) 系统函数在 |z| > 0 处收敛，极点全部在 z=0 处，属于因果系统。
(3) 结构上是非递归的，没有输出到输入的反馈。
(4) 输入信号相位响应是线性的，因为响应函数 h(n) 系数是对称的。
(5) 输入信号的各频率之间，相对相位差也是固定不变的。
(6) 时域卷积等于频域相乘，因此该卷积相当于筛选频谱中各频率分量的增益倍数。某些频率分量保留，某些频率分量衰减，从而实现滤波的效果。
并行 FIR 滤波器设计
设计说明
输入频率为 7.5 MHz 和 250 KHz 的正弦波混合信号，经过 FIR 滤波器后，高频信号 7.5MHz 被滤除，只保留 250KHz 的信号。设计参数如下：
输入频率： 7.5MHz 和 250KHz
采样频率： 50MHz
阻带： 1MHz ~ 6MHz
阶数： 15（N-1=15）
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由 FIR 滤波器结构可知，阶数为 15 时，FIR 的实现需要 16 个乘法器，15 个加法器和 15 组延时寄存器。为了稳定第一拍的数据，可以再多用一组延时寄存器，即共用 16 组延时寄存器。由于 FIR 滤波器系数的对称性，乘法器可以少用一半，即共使用 8 个乘法器。
并行设计，就是在一个时钟周期内对 16 个延时数据同时进行乘法、加法运算，然后在时钟驱动下输出滤波值。这种方法的优点是滤波延时短，但是对时序要求比较高。
并行设计
设计中使用到的乘法器模块代码，可参考之前流水线式设计的乘法器。
为方便快速仿真，也可以直接使用乘号 * 完成乘法运算，设计中加入宏定义 SAFE_DESIGN 来选择使用哪种乘法器。
FIR 滤波器系数可由 matlab 生成，具体见附录。
/*********************************************************** >> V201001 : Fs：50Mhz, fstop：1Mhz-6Mhz, order： 15 ************************************************************/ `define SAFE_DESIGN module fir_guide ( input rstn, //复位，低有效 input clk, //工作频率，即采样频率 input en, //输入数据有效信号 input [11:0] xin, //输入混合频率的信号数据 output valid, //输出数据有效信号 output [28:0] yout //输出数据，低频信号，即250KHz ); //data en delay reg [3:0] en_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin en_r[3:0] <= 'b0 ; end else begin en_r[3:0] <= {en_r[2:0], en} ; end end //(1) 16 组移位寄存器 reg [11:0] xin_reg[15:0]; reg [3:0] i, j ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0; i<15; i=i+1) begin xin_reg[i] <= 12'b0; end end else if (en) begin xin_reg[0] <= xin ; for (j=0; j<15; j=j+1) begin xin_reg[j+1] <= xin_reg[j] ; //周期性移位操作 end end end //Only 8 multipliers needed because of the symmetry of FIR filter coefficient //(2) 系数对称，16个移位寄存器数据进行首位相加 reg [12:0] add_reg[7:0]; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0; i<8; i=i+1) begin add_reg[i] <= 13'd0 ; end end else if (en_r[0]) begin for (i=0; i<8; i=i+1) begin add_reg[i] <= xin_reg[i] + xin_reg[15-i] ; end end end //(3) 8个乘法器 // 滤波器系数，已经过一定倍数的放大 wire [11:0] coe[7:0] ; assign coe[0] = 12'd11 ; assign coe[1] = 12'd31 ; assign coe[2] = 12'd63 ; assign coe[3] = 12'd104 ; assign coe[4] = 12'd152 ; assign coe[5] = 12'd198 ; assign coe[6] = 12'd235 ; assign coe[7] = 12'd255 ; reg [24:0] mout[7:0]; `ifdef SAFE_DESIGN //流水线式乘法器 wire [7:0] valid_mult ; genvar k ; generate for (k=0; k<8; k=k+1) begin mult_man #(13, 12) u_mult_paral ( .clk (clk), .rstn (rstn), .data_rdy (en_r[1]), .mult1 (add_reg[k]), .mult2 (coe[k]), .res_rdy (valid_mult[k]), //所有输出使能完全一致 .res (mout[k]) ); end endgenerate wire valid_mult7 = valid_mult[7] ; `else //如果对时序要求不高，可以直接用乘号 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0 ; i<8; i=i+1) begin mout[i] <= 25'b0 ; end end else if (en_r[1]) begin for (i=0 ; i<8; i=i+1) begin mout[i] <= coe[i] * add_reg[i] ; end end end wire valid_mult7 = en_r[2]; `endif //(4) 积分累加，8组25bit数据 -> 1组 29bit 数据 //数据有效延时 reg [3:0] valid_mult_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin valid_mult_r[3:0] <= 'b0 ; end else begin valid_mult_r[3:0] <= {valid_mult_r[2:0], valid_mult7} ; end end `ifdef SAFE_DESIGN //加法运算时，分多个周期进行流水，优化时序 reg [28:0] sum1 ; reg [28:0] sum2 ; reg [28:0] yout_t ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin sum1 <= 29'd0 ; sum2 <= 29'd0 ; yout_t <= 29'd0 ; end else if(valid_mult7) begin sum1 <= mout[0] + mout[1] + mout[2] + mout[3] ; sum2 <= mout[4] + mout[5] + mout[6] + mout[7] ; yout_t <= sum1 + sum2 ; end end `else //一步计算累加结果，但是实际中时序非常危险 reg signed [28:0] sum ; reg signed [28:0] yout_t ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin sum <= 29'd0 ; yout_t <= 29'd0 ; end else if (valid_mult7) begin sum <= mout[0] + mout[1] + mout[2] + mout[3] + mout[4] + mout[5] + mout[6] + mout[7]; yout_t <= sum ; end end `endif assign yout = yout_t ; assign valid = valid_mult_r[0]; endmodule
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testbench
testbench 编写如下，主要功能就是不间断连续的输入 250KHz 与 7.5MHz 的正弦波混合信号数据。输入的混合信号数据也可由 matlab 生成，具体见附录。
`timescale 1ps/1ps module test ; //input reg clk ; reg rst_n ; reg en ; reg [11:0] xin ; //output wire valid ; wire [28:0] yout ; parameter SIMU_CYCLE = 64'd2000 ; //50MHz 采样频率 parameter SIN_DATA_NUM = 200 ; //仿真周期 //===================================== // 50MHz clk generating localparam TCLK_HALF = 10_000; initial begin clk = 1'b0 ; forever begin # TCLK_HALF ; clk = ~clk ; end end //============================ // reset and finish initial begin rst_n = 1'b0 ; # 30 rst_n = 1'b1 ; # (TCLK_HALF * 2 * SIMU_CYCLE) ; $finish ; end //======================================= // read signal data into register reg [11:0] stimulus [0: SIN_DATA_NUM-1] ; integer i ; initial begin $readmemh("../tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt", stimulus) ; i = 0 ; en = 0 ; xin = 0 ; # 200 ; forever begin @(negedge clk) begin en = 1'b1 ; xin = stimulus[i] ; if (i == SIN_DATA_NUM-1) begin //周期送入数据控制 i = 0 ; end else begin i = i + 1 ; end end end end fir_guide u_fir_paral ( .xin (xin), .clk (clk), .en (en), .rstn (rst_n), .valid (valid), .yout (yout)); endmodule
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仿真结果
由下图仿真结果可知，经过 FIR 滤波器后的信号只有一种低频率信号（250KHz），高频信号（7.5MHz）被滤除了。而且输出波形是连续的，能够持续输出。
但是，如红圈所示，波形起始部分呈不规则状态，对此进行放大。
波形起始端放大后如下图所示，可见不规则波形的时间段，即两根竖线之间的时间间隔是 16 个时钟周期。
因为数据是串行输入，设计中使用了 16 组延时寄存器，所以滤波后的第一个正常点应该较第一个滤波数据输出时刻延迟 16 个时钟周期。即数据输出有效信号 valid 应该再延迟 16 个时钟周期，则会使输出波形更加完美。
附录：matlab 使用
生成 FIR 滤波器系数
打开 matlab，在命令窗口输入命令： fdatool。
然后会打开如下窗口，按照 FIR 滤波器参数进行设置。
这里选择的 FIR 实现方法是最小二乘法（Least-squares），不同的实现方式滤波效果也不同。
点击 File -> Export
将滤波器参数输出，存到变量 coef 中，如下图所示。
此时 coef 变量应该是浮点型数据。对其进行一定倍数的相乘扩大，然后取其近似的定点型数据作为设计中的 FIR 滤波器参数。这里取扩大倍数为 2048，结果如下所示。
生成输入的混合信号
利用 matlab 生成混合的输入信号参考代码如下。
信号为无符号定点型数据，位宽宽度为 12bit，存于文件 cosx0p25m7p5m12bit.txt。
clear all;close all;clc; %======================================================= % generating a cos wave data with txt hex format %======================================================= fc = 0.25e6 ; % 中心频率 fn = 7.5e6 ; % 杂波频率 Fs = 50e6 ; % 采样频率 T = 1/fc ; % 信号周期 Num = Fs * T ; % 周期内信号采样点数 t = (0:Num-1)/Fs ; % 离散时间 cosx = cos(2*pi*fc*t) ; % 中心频率正弦信号 cosn = cos(2*pi*fn*t) ; % 杂波信号 cosy = mapminmax(cosx + cosn) ; %幅值扩展到（-1,1） 之间 cosy_dig = floor((2^11-1) * cosy + 2^11) ; %幅值扩展到 0~4095 fid = fopen('cosx0p25m7p5m12bit.txt', 'wt') ; %写数据文件 fprintf(fid, '%x\n', cosy_dig) ; fclose(fid) ; %时域波形 figure(1); subplot(121);plot(t,cosx);hold on ; plot(t,cosn) ; subplot(122);plot(t,cosy_dig) ; %频域波形 fft_cosy = fftshift(fft(cosy, Num)) ; f_axis = (-Num/2 : Num/2 - 1) * (Fs/Num) ; figure(5) ; plot(f_axis, abs(fft_cosy)) ;
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