FIR 数字滤波器 --verilog设计实现
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- FIR数字滤波器设计
串行FIR数字滤波器
- 信号说明
- data_in[15:0] ：输入信号为0.5MHz叠加1.8MHz信号，采样时钟为4MHz（系统处理时钟/滤波器阶数）16bit量化；
- h0-h8 ：滤波器系数8bit量化，4MHz抽样，低通滤波器（Low Pass Filter，LPF），截止频率为1MHz，窗函数设计。
- data_out[15:0]：输出信号为0.5MHz信号，16bit。
- 使用MATLAB获取滤波器系数h0-h7
- 模拟低通滤波器设计
%设计巴特沃斯模拟滤波器
%通带截止频率： fp（单位Hz）
%通带衰减： Rp(单位dB)
%阻带截止频率： fs(单位Hz)
%阻带衰减： Rs（单位dB）
%技术指标要求设置，按自己的需求更改即可。
fp=900;fs=1100; %低通滤波器，理想截止频率在1000Hz左右
%fp=5100;fs=4800; %高通滤波器，理想截止频率在5000Hz左右
%fp=[1100,1900];fs=[900,2100]; %带通实例，理想上限截止频率2000Hz，下限截止频率1000Hz
%fp=[900,2100];fs=[1100,1900]; %带阻实例，理想上限截止频率2000Hz，下限截止频率1000Hz
Rp=1; %通带衰减1dB
Rs=40; %阻带衰减40dB
filter_type=1; %1低通，2高通，3带通，4带阻
Wp=2*pi*fp; %转换为角频率，单位rad/s
Ws=2*pi*fs;
[N,Wc]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs,'s'); %计算巴特沃斯模拟滤波器参数，'s'表示WP WS都是模拟角频率；
switch filter_type
case 1
[b,a]=butter(N,Wc,'low','s'); %低通
case 2
[b,a]=butter(N,Wc,'high','s'); %高通
case 3
[b,a]=butter(N,Wc,'bandpass','s'); %带通
case 4
[b,a]=butter(N,Wc,'stop','s'); %带阻
end
[H,W]=freqs(b,a); %w:模拟角频率，H模拟滤波器的系统函数
mag=abs(H); %幅度
pha=angle(H); %相位
db=20*log10((mag+eps)/max(mag)); %转换为分贝
f=W/(2*pi); %将模拟角频率转换为Hz
subplot(2,1,1);plot(f,db);
title('模拟滤波器幅频曲线');xlabel('频率（Hz）');ylabel('幅度（dB）');
subplot(2,1,2);plot(f,pha);
title('模拟滤波器相频曲线');xlabel('频率（Hz）');ylabel('相位（rad）');
-
- 数字滤波器系数设计--利用filterDesigner工具设计数字滤波器
- 在matlab中输入 filterDesigner 打开滤波器设计工具
>> filterDesigner
- 参数配置
- 选择低通滤波器
- FIR滤波器 - 窗函数
- 指定阶 -7阶
- blackman窗函数
- 频率设定：采样率Fs = 4MHz，滤波器截至频率Fc = 1MHz；
- 参数量化：
- 选择左下第三个框
- 选择定点数
- 选择8bit
- 点击应用
- 导出参数
- 点击File- Export
- 点击导出系数
- 在点击目标-xinlinx系数（coe文件）
- 生成的coe文件包含h0-h7 ,7阶低通滤波器系数8bit。
- Verilog代码实现
module fir(
input wire clk, //系统时钟 32MHz
input wire rst_n, //系统复位信号
input wire data_clk, //数据时钟 4MHz
input signed[15:0] data_in, //输入数据16bit， 0.5MHz+1.8MHz信号叠加
output reg signed[15:0] data_out //输出数据16bit， 0.5MHz信号
);
//移位操作，输入数据寄存
reg signed[15:0] x1;
reg signed[15:0] x2;
reg signed[15:0] x3;
reg signed[15:0] x4;
reg signed[15:0] x5;
reg signed[15:0] x6;
reg signed[15:0] x7;
always @ (posedge data_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
x1 <= 16'b0;
x2 <= 16'b0;
x3 <= 16'b0;
x4 <= 16'b0;
x5 <= 16'b0;
x6 <= 16'b0;
x7 <= 16'b0;
end
else begin
x1 <= data_in;
x2 <= x1;
x3 <= x2;
x4 <= x3;
x5 <= x4;
x6 <= x5;
x7 <= x6;
end
end
//滤波器系数h[7:0] 由matlab获得
wire signed[7:0] h0 = 8'h00;
wire signed[7:0] h1 = 8'hfe;
wire signed[7:0] h2 = 8'h13;
wire signed[7:0] h3 = 8'h70;
wire signed[7:0] h4 = 8'h70;
wire signed[7:0] h5 = 8'h13;
wire signed[7:0] h6 = 8'hfe;
wire signed[7:0] h7 = 8'h06;
//计数器实现延时，7阶滤波器，8拍延时
reg [2:0] counter;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
counter <= 3'b0;
end
else begin
counter <= counter + 1'b1;
end
end
//数据与滤波器系数相乘
reg signed[15:0] mult_a; //寄存的输入数据
reg signed[7:0] mult_b; //滤波器系数
wire signed[23:0] mult_p; //data_in[15:0] * h[7:0]
assign mult_p = mult_a * mult_b;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
mult_a <= 16'b0;
mult_b <= 8'b0;
end
else begin
case(counter)
3'b000:begin
mult_a <= data_in;
mult_b <= h0;
end
3'b001:begin
mult_a <= x1;
mult_b <= h1;
end
3'b010:begin
mult_a <= x2;
mult_b <= h2;
end
3'b011:begin
mult_a <= x3;
mult_b <= h3;
end
3'b100:begin
mult_a <= x4;
mult_b <= h4;
end
3'b101:begin
mult_a <= x5;
mult_b <= h5;
end
3'b110:begin
mult_a <= x6;
mult_b <= h6;
end
3'b111:begin
mult_a <= x7;
mult_b <= h7;
end
endcase
end
end
//累加求和32bit
reg signed[31:0] data_out_temp;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)begin
data_out_temp <= 32'b0;
data_out <= 16'b0;
end
else begin
data_out_temp <= data_out_temp + mult_p;
if(counter == 3'b111)begin
data_out <= data_out_temp[31:16]; //数据截断，取前16bit
data_out_temp <= 32'b0;
end
end
end
endmodule
- 仿真
- 波形数据产生--由matlab产生数据16bit数据，4MHz刷新
%%清内存，关闭窗口 准备工作
clear
close all
clc
%%signal
% f(x) = A1*sin(w1*t+p1) + A2*sin(w2*t+p2);
%三要素
A1 = 1; %幅度1
A2 = 0.5; %幅度2
f1 = 0.5; %信号1频率为 0.5MHz
f2 = 1.8; %信号2频率为 1.8MHz
Fs = 4; %采样频率为 4MHz
N = 16; %量化位数 16bit
w1 = 2*pi*f1; %角频率1
w2 = 2*pi*f2; %角频率2
p1 = 0; %相位1
p2 = 0; %相位2
%采样
T = 16;
%fs = 20*f;
d = 1/Fs;
t = -T/2:d:T/2;
s1 = A1*sin(w1*t+p1);
s2 = A2*sin(w2*t+p2);
%s2 = A2*sin(w2*t+p);
s = s1 +s2;
save sinwave.txt -ascii s;
fid= fopen('data_signed.txt','w'); %保存文本文档的文件名
% fprintf(fid,'%d',data_signed);
fprintf(fid,'%04x\r\n',typecast(int16(s),'uint16'));
fclose(fid);
figure(1)
subplot(3,1,1);
plot(t,s1);
xlabel('时间/s');
ylabel('幅度');
subplot(3,1,2);
plot(t,s2);
xlabel('时间/s');
ylabel('幅度');
subplot(3,1,3);
plot(t,s);
xlabel('时间/s');
ylabel('幅度');
-
- testbench
module tb_fir_filter();
reg clk;
reg rst_n;
reg data_clk;
reg signed[15:0] data_in;
wire signed[15:0] data_out;
initial begin
$dumpfile("wave.vcd"); //生成的vcd文件名称
$dumpvars(0,tb_fir_filter ); //tb模块名称
end
initial begin
clk = 1'b0;
data_clk = 1'b0;
rst_n = 1'b0;
#100 rst_n = 1'b1;
end
always #16 clk = ~clk; //32MHz
always #128 data_clk = ~data_clk; //4MHz
//将matlab生成的数据导入到寄存器中
parameter data_num = 64; //4个周期
reg [5:0] addr;
reg [15:0] mem [0:data_num-1];
initial begin
# 100;
$readmemh("data_signed.txt", mem);
addr = 6'b0;
end
always #10 begin
data_in = mem[addr][15:0];
addr = addr + 1'b1;
end
fir uut(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.data_clk (data_clk),
.data_in (data_in),
.data_out (data_out)
);
endmodule
北京人形旗下天工造物具身智能开源社区，聚焦具身天工与慧思开物两大平台
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