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Vivado經(jīng)典案例:使用Simulink設(shè)計FIR濾波器

FPGA技術(shù)江湖 ? 來源:FPGA技術(shù)江湖 ? 2024-03-25 09:18 ? 次閱讀
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今天給大俠帶來Vivado經(jīng)典案例:使用Simulink設(shè)計FIR濾波器,話不多說,上貨。

FIR(Finite Impulse Response)濾波器:有限長單位沖激響應(yīng)濾波器,又稱為非遞歸型濾波器,是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件,它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性相頻特性,同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的,因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此,F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

Vivado自帶的FIR濾波器IP核已經(jīng)很好用,這里借FIR濾波器的設(shè)計,介紹Simulink圖形設(shè)計編程方法。Simulink可以使設(shè)計更直觀,使硬件資源得到更為高效的利用。

使用vivado的System Generator可以在simulink下快速的通過matlab的強大設(shè)計功能設(shè)計濾波器。這里使用fdatool設(shè)計了一個15階的FIR濾波器。

軟件環(huán)境:【vivado2014.2+matlab2013b】

1. fdatool設(shè)計濾波器

9461c9a4-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

通過matlab可以快速的設(shè)計濾波器,直接導(dǎo)出濾波器系數(shù),方便大家快速設(shè)計。上圖使用Kaiser窗函數(shù)設(shè)計了一個采樣率為30.72MHz的15階8M低通濾波器。File – Export 將設(shè)計好的濾波器系數(shù)Num導(dǎo)出到Workspace。

2.系數(shù)處理

由于系數(shù)都是小數(shù),需要重新量化,以充分利用dsp48的精度。

本例直接將系數(shù)擴大2^16倍后取整。

Num = { -0.0007 -0.0071 0.0070 0.0287 -0.0305 -0.0827 0.1244 0.4610 0.4610 0.1244 -0.0827 -0.0305 0.0287 0.0070 -0.0071 -0.0007 }

a = round ( Num * 2^16) = { -46 -467 459 1879 -2002 -5418 8152 30211 30211 8152 -5418 -2002 1879 459 -467 -46 }

3. Simulink設(shè)計模型

9470cde6-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

y(n) = h(0)*(x(n)+x(n-15))+h(1)*(x(n-1)+x(n-14))+h(2)*(x(n-2)+x(n-13))+h(3)*(x(n-3)+x(n-12))+h(4)*(x(n-4)+x(n-11))+h(5)*(x(n-5)+x(n-10))+h(6)*(x(n-6)+x(n-9))+h(7)*(x(n-7)+x(n-8))

利用FIR濾波器系數(shù)的對稱性,采用折疊方式,可節(jié)省一半的DSP48用量,考慮到7系的DSP48普遍可以跑到200-300MHz,如信號采樣率低的話,可以采用多路復(fù)用的方式大量節(jié)省DSP使用量,若只有一路信號也可以采用提高工作時鐘的方式減少DSP使用量??臻g與時間的相互關(guān)系,在這里表現(xiàn)的淋漓盡致。

94804e92-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

模型設(shè)計的時候特別需要注意每個模塊的時延,時延一定要計算清楚。

上圖設(shè)計的fir濾波器,DSP的PCIN輸入為上一級DSP的PCOUT信號,這樣做的目的是充分利用DSP的快速進位鏈,使實現(xiàn)變得容易。最后一拍數(shù)據(jù)直接使用的DSP的P端輸出。

4. 模型仿真

949b3900-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

為設(shè)計好的模型增加一個頂層,添加兩個信號源作為仿真激勵,使用兩個頻譜分析儀觀測結(jié)果。

由濾波器幅值響應(yīng)圖可知,當(dāng)信號采樣率為245.76MHz時(提升了8倍),通帶(原為5M提升8倍為40MHz)內(nèi)信號抖動為0.03db以內(nèi),此濾波器對100MHz(對應(yīng)圖中12.5MHz)的抑制能力為-61db。

測試使用兩個幅度相同、頻率不同的正弦信號(25M與100M)相加作為信號輸入,使用頻譜分析儀觀測FIR模型輸出,開始仿真觀測頻譜儀信號。

94acb266-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

94cbf1da-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

上面左圖為濾波器輸入信號,右圖為濾波器輸出信號。觀測可知此濾波器對25MHz信號功率沒有影響,對100MHz信號衰減了約60db左右,將圖放大可知輸入100MHz功率為83.2dbm輸出為21.6dbm,衰減了61.2db。由此可知與fdatool設(shè)計的濾波器性能相同。

xilinx在新版本的vivado中將simulink中的WaveScope刪掉了,信號觀測方式換為和vivado debug相同的窗口,更為靈活和人性化。添加信號的方式更為簡單,選擇好需要觀測的信號后直接右鍵單擊Xilinx Add to Viewer。這時啟動仿真將自動打開vivado的Waveform窗口,可以在時域上觀察每一個點的數(shù)據(jù)。

94e2656e-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.png

950283f8-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

上圖為單個25M正弦波作為激勵信號的模型輸入和輸出信號。當(dāng)前光標(biāo)位置輸入數(shù)據(jù)為1025,此fir濾波器時域上對信號有19個周期的延遲,19個周期后的數(shù)據(jù)為1024,那么20lg(1025/1024)=0.008db 抖動小于通帶內(nèi)抖動值0.03db。

950c798a-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

通過將輸入信號改為脈沖信號,脈沖寬度為1個周期,此時可觀測到此fir濾波器的沖擊響應(yīng)。

經(jīng)過以上步驟,基本驗證此濾波器的設(shè)計能夠達到需求。

5. 將模型導(dǎo)入到vivado工程

951f3b2e-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.png

System Generator提供了幾種導(dǎo)入方法:

1、 直接生成hdl網(wǎng)表文件。

952c94ea-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.jpg

生成的.v或.vhd文件直接例化dsp的IP核,用戶可直接將代碼文件添加至自己的工程內(nèi)。就好像模型是自己用代碼完成的一樣。

2、 以IP核形式生成IP。

添加IP信息,生成IP核。用戶以IP核的形式直接調(diào)用。

3、 Synthesized Checkpoint形式生成網(wǎng)表文件(推薦)。

選擇此項,用戶可直接在simulink下綜合出網(wǎng)表和約束文件,打包至.dcp文件中,用戶可在vivado下直接加載dcp文件調(diào)用模型。

4、 直接在vivado中添加模型文件(推薦)。

95453748-ea2f-11ee-a297-92fbcf53809c.png

Vivado的Add source中可選擇Add or Create DSP Sources,直接將模型文件(.mdl或.slx)添加至工程中,綜合的時候,系統(tǒng)將自動調(diào)用matlab分析模型文件,自動生成需要HDL文件。效果等同于自動操作的方法1,缺點是使用此方法綜合工程必須裝有對應(yīng)版本的matlab。




審核編輯:劉清

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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原文標(biāo)題:Vivado 使用Simulink設(shè)計FIR濾波器

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