使用DDS生成三個信號并在Vivado中實現(xiàn)低通濾波器

作者： 碎碎思，來源：OpenFPGA

本文使用 DDS 生成三個信號，并在 Vivado 中實現(xiàn)低通濾波器。低通濾波器將濾除相關(guān)信號。

介紹

用DDS生成三個信號，并在Vivado中實現(xiàn)低通濾波器。低通濾波器將濾除較快的信號。

本文分為幾個主要部分：

信號生成：展示如何使用DDS（直接數(shù)字合成）IP生成測試信號 - 10 MHz 信號和 500 kHz 信號，然后將它們組合起來創(chuàng)建混合信號進行測試。

FIR 濾波器設(shè)計：解釋影響 FIR 濾波器性能的關(guān)鍵因素，包括：

抽頭數(shù)量及其對濾波器響應(yīng)的影響

量化和系數(shù)位寬設(shè)計

權(quán)衡資源利用

設(shè)計：演示使用 Vivado 進行設(shè)計，包括

設(shè)置FIR IP

使用 MATLAB 生成的系數(shù)配置濾波器參數(shù)

設(shè)置適當?shù)奈粚捄?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘頻率

添加必要的組件，如時鐘源和 ILA（集成邏輯分析儀）

測試和驗證：顯示如何通過以下方式驗證濾波器的操作：

仿真結(jié)果顯示高頻分量的濾波

FPGA 板上的硬件實現(xiàn)

使用基于計數(shù)器的脈沖發(fā)生器觀察濾波器脈沖響應(yīng)的特殊技術(shù)

第 1 部分：DDS 設(shè)置，用于生成兩個信號和混合信號

首先為測試臺生成信號：

在BD設(shè)計中添加 DDS IP。在配置選項卡中，將系統(tǒng)時鐘設(shè)置為 100 MHz。

由于我們只需要生成正弦波，因此在Implementation選項卡中，選擇輸出為Sine選項，并取消選擇相位輸出選項。在Output Frequency選項卡中，將Channel 1的頻率設(shè)置為 500 kHz。

在BD設(shè)計中添加另一個 DDS IP。重復(fù)相同的設(shè)置，但這次將輸出頻率設(shè)置為 10 MHz。

在BD設(shè)計中添加一個加法器。將其輸入位寬設(shè)置為 8，將其輸出位寬設(shè)置為 9。

將兩個 DDS 編譯器的輸出連接到加法器的輸入。這將生成混合信號。

在設(shè)計中添加一個模擬時鐘發(fā)生器，并將其頻率設(shè)置為 100MHz。該頻率也是設(shè)計的采樣率

DDS編譯器仿真結(jié)果：

如仿真結(jié)果所示：

第一個正弦波的周期為 2000 ns，這是一個 500 kHz 的信號。

第二個正弦波的周期為 100 ns，這是一個 10 MHz 信號。

還可以觀察混合信號，其中較快信號的幅度以較慢信號的頻率波動，從而顯示了兩個頻率的組合。

Vivado FIR 濾波器仿真

FIR 濾波器配置：FIR 濾波器的性能受幾個因素影響：

抽頭數(shù)量：

增加抽頭數(shù)量可改善濾波器響應(yīng)，從而使通帶更平坦，波紋更少，振鈴減少。

更多的抽頭數(shù)還會增強截止頻率的衰減，從而提高濾波器的精度。然而，更多的抽頭會引入更大的延遲，這可能不適合某些 DSP 系統(tǒng)。

不同抽頭數(shù)的FIR濾波器響應(yīng)比較

量化和濾波器系數(shù)位寬：

量化-通過將數(shù)字映射到由分配的位寬決定的一組固定的離散值來降低數(shù)字的精度。

使用較少的位數(shù)進行量化會降低濾波器系數(shù)的準確性，從而對濾波器的性能產(chǎn)生負面影響。

資源權(quán)衡：

濾波器性能和 FPGA 資源利用率之間存在權(quán)衡。

增加抽頭數(shù)量或系數(shù)的位寬需要更多的 DSP 資源，這可能會消耗 FPGA 很多資源。

兩種不同F(xiàn)IR濾波器所需的FPGA資源

通過平衡這些因素，可以優(yōu)化 FIR 濾波器以滿足應(yīng)用程序的特定要求。

在 Matlab 中生成量化 FIR 濾波器抽頭

為了簡化工作，提供了一個可以輕松生成量化 FIR 濾波器的 Matalab 代碼，可以在 Vivado 中直接使用它：

closeall
clearall
clc
%%setuptheparametershere
Sample_Rate=50e6;
cutoff_frequency=5e6;
number_of_filter_taps=191;%mustbeoddnumber!
filter_taps_bitwidth=10;
lowpass_highpass='low';%shouldbeloworhigh
%%Caluculatethetaps
Nyquist_frequency=Sample_Rate/2;
Wn=cutoff_frequency/(Nyquist_frequency);
%Generatearowvectorbcontainingthen+1coefficients
filter_taps=fir1(number_of_filter_taps-1,Wn,lowpass_highpass);
%%Quantization
%onebitforsign
filter_taps=floor(filter_taps/max(filter_taps)*(2^(filter_taps_bitwidth-1)-1));
%%plotthefilterresponse
N=1024;%Numberofpointsforthefrequencyresponse
[H,f]=freqz(filter_taps,1,N,Sample_Rate);%Calculatethefrequencyresponse
%Magnitudeandphaseresponse
magnitude=abs(H);%Magnituderesponse

%Plotthefilterresponse
%Magnituderesponseplot
figure;
plot(f,20*log10(magnitude),'linewidth',1.3);%PlotmagnitudeindB
gridon;
title('MagnitudeResponse(dB)',FontSize=22);
xlabel_txt='Frequency(Hz)';
xlabel(xlabel_txt,FontSize=22);
ylabel('Magnitude(dB)',FontSize=22);
%xlim([030e6])
figure
freqz(filter_taps,1)
figure
stem(filter_taps,'linewidth',1.3)
gridon;

在提供的Matlab代碼中，需要配置以下參數(shù)：

采樣率：這是采樣頻率，在我們的設(shè)計中它對應(yīng)于驅(qū)動系統(tǒng)的時鐘頻率。

截止頻率：指定濾波器的截止頻率。

抽頭數(shù)：設(shè)置濾波器的抽頭數(shù)，決定濾波器的精度和性能。

抽頭位寬：定義濾波器系數(shù)的位寬，影響量化精度。

濾波器類型：選擇需要的濾波器類型。此代碼目前僅支持高通和低通濾波器。

Vivado 中的 FIR 編譯器 IP 設(shè)置：

借助 Matlab 代碼，生成截止頻率為 1MHz、量化為 16 位的 21 個濾波器抽頭。需要進行少許修改才能使生成的值在 Vivado 中可用。

復(fù)制 FIR 濾波器抽頭并將其粘貼到“濾波器選項”選項卡 下的“系數(shù)向量”字段中。

請注意，一旦更新濾波器系數(shù)，實施選項卡中的輸出寬度將自動調(diào)整。

在“通道規(guī)范”選項卡中，設(shè)置采樣率和時鐘頻率匹配連接到 FIR 濾波器的時鐘。在本教程中，我們使用 100 MHz 時鐘。

在“實施”選項卡中，配置“輸入位寬”以匹配輸入信號的位寬。例如，由于此設(shè)計中加法器的輸出有 9 位，因此將輸入位寬設(shè)置為 9。

這樣FIR 濾波器現(xiàn)已配置完畢并可以使用。

請注意，F(xiàn)IR 濾波器的輸入和輸出位寬與正確的字節(jié)數(shù)對齊。例如，當我們將輸入位寬設(shè)置為 9 位時，濾波器的實際輸入位寬會調(diào)整為 2 個字節(jié)（16 位）。

仿真結(jié)果

仿真就會觀察到 FIR 濾波器表現(xiàn)為低通濾波器，衰減頻率更高的信號。

Vivado 綜合

上訴設(shè)計都是可綜合的，在系統(tǒng)內(nèi)為設(shè)計添加時鐘后就可以進行綜合和實現(xiàn)了。

最后，需要在設(shè)計中加入一個 ILA 來監(jiān)控和研究目標信號。移除所有額外的端口，并將它們連接到 ILA。

使用上面的架構(gòu)需要使用SDK或者Vitis運行一個簡單的“HelloWorld！”程序。

如果使用板載時鐘就按照需求進行修改。

運行后，應(yīng)該能看到與仿真相同的結(jié)果：