VHDL FIR滤波器的设计

FIR滤波器的设计 VHDL

XUAN xue

1421人浏览 · 2023-04-19 11:23:56

XUAN xue · 2023-04-19 11:23:56 发布

一.实验目的
二.实验内容
三.实验设计
四.实验步骤
五.实验结果
一.目的
1.学习Quartus II/ISE Design Suite软件的基本使用方法。

2.掌握GW48系列或其他EDA实验开发系统的基本使用方法。

3. 学习VHDL程序设计中LPM兆功能块的程序调用及参数传递方法。

4. 学习数字信号处理算法的分析、设计、编程与调试方法，包括参数的量化、数据的延迟、流水线的使用、仿真数据的输入、仿真结果的分析等。
二.内容
根据图示的转置FIR滤波器的原理，设计并调试好一个成一个滤波器长度为4的DaubechiesDB4转置FIR滤波器，并用GW48系列或其他EDA实验开发系统进行硬件验证。

图1转置结构的FIR滤波器

三.设计
简单介绍：FIR滤波器的全称是Finite Impulse Respond Filter。中文全称是有限脉冲响应滤波器，它也叫做非递归型滤波器。它的作用和所有的滤波器一样，通过算法来使某刻的值处在一个更为准确的值，这句话看着很绕，但是在后面的三种算法的介绍中，应该可以理解我在这里说的这句话的含义。实现数字滤波，就必须要有数字信号，所以这里要通过A/D转换，来使得模拟信号变为数值，才好带入算法中计算，然后用D/A转换，输出模拟信号。

总体设计：设计一个FIR滤波器，编写按键的源程序KG.VHD，动态扫描的源程序CTRLS.VHD，动态计数的源程序DISPLAY.VHD，分频器(CLKGEN)模块,FIR滤波器模块、输入控制（KZSR)模块、输出控制（XSKZQ）模块，由模块构成顶层电路FIR滤波器的源程序TOP.VHD，其中底层和顶层电路均采用VHDL文本输入。

设计思路:

1、FIR滤波器设计：

图2转置结构的FIR滤波器

G(Z)=0.48301+0.8365Z-1+0.2241Z-2-0.1294Z-3

G(Z) =124/256+214Z-1/256+572-2/256-33Z-3/256

Y(n)=124X(n)/256+214X(n-1)/256+57X(n-2)/256-33X(n-3)/256

四.步骤
1.分析：设计一个FIR滤波器，编写按键的源程序KG.VHD，动态扫描的源程序CTRLS.VHD，动态计数的源程序DISPLAY.VHD，分频器(CLKGEN)模块,FIR滤波器模块、输入控制（KZSR)模块、输出控制（XSKZQ）模块，由模块构成顶层电路FIR滤波器的源程序TOP.VHD，其中底层和顶层电路均采用VHDL文本输入。
2、文件及工程的建立，用VHDL文件编辑好各个模块的源程序，工程编译观察工程是否实现

图5.1 编译程序结果图

3、工程仿真，建立仿真文件，观察仿真结果

对FIR仿真

图5.2 FIR波形仿真图

4、芯片管脚的锁定：

选择硬件相关的芯片EP3C55F484并对程序进行引脚锁定，对应给的常用的引脚锁定图进行锁定。选择好按键和时钟的引脚锁定，其数码管以常用的进行锁定。

图5.4 引脚锁定图
逻辑综合结果，查看程序RTL仿真图，熟悉整体电路状态。
图5.5 程序RTL视图
编程下载及验证，硬件验证功能是否实现
图5.6 硬件验证

五 .结果

1、输入端代码分析

CLK是通过分配器获得的1hz的时钟，COUT是FIR滤波器系数，XOUT是输入数字。LOAD是控制FIR滤波器是否工作。当下降沿到来的时候，A和SEL进行加1操作，A决定LOAD的数值，LOAD决定FIR滤波器是否工作，SEL控制传输的数据，当LOAD=0的时候FIR滤波器开始工作。

首先需要将FIR滤波器的系数输入，COUT<=001111100化为二进制就是滤波器的第一个系数：124，后面依次类推即可，把FIR滤波器的4位系数（FIR滤波器的系数是固定死的）输入完成后便输入运算的数值。如果要调整运算的数字的个数，可以通过只改变波形中X—IN的值即可。

当LOAD为低电平时，将滤波器的系数输入，当LOAD为高电平时，将需要计算的数值输入进去，例如输入的X(1)为100则X(n)为100，X(n-1),X(n-2),,X(n-3)都为0，待人方程可得48，同理将第二个数字输入进去，则前2个数字为有效数字，后2位为0、0，可以看到输入4个数字之后输入便是数字0，所以输入到第七个时，只有X(n-3)有数字，其他均为0，当第八个输入时，四个输入均为0，则输出为0。只改变仿真波形的输入值，硬件并不会出现任何改变，需要改动代码，硬件才会变化

2.输出端代码分析：

XSKZQ为输出代码控制，由于要分多次在数码管上显示，而又因为输入的数据是多位的

（类比于流水线，只需要把核心的程序设置好了，后面不管来多少产品都可以进行处理）

先将FIR滤波器运算的四位数STD_LOGIC类型的数据通过CONV_INTEGER类型转换成实数，并且将4位数的实数提出每个位数，例如 0200分离出 0、2、0、0 每个位数通过传输到DISPLAY端来驱动数码管是否显示数据。

3.FIR波形仿真分析

图6.5 TESTCL波形仿真图

4.RTL仿真分析

图6.6 程序RTL视图

5.源程序设计

-KG的源程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY KG IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

K:IN STD_LOGIC;

TIMES:OUT STD_LOGIC);

END ENTITY KG;

ARCHITECTURE ART OF KG IS

BEGIN

PROCESS(CLK,K)IS

BEGIN

IF K='1' THEN

TIMES<=CLK;

ELSE

TIMES<='0';

END IF;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

-- KZSR的源程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

--USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITY KZSR IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

XOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

LOAD:OUT STD_LOGIC;

COUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0));

END ENTITY KZSR;

ARCHITECTURE ART OF KZSR IS

SIGNAL SEL:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

SIGNAL A:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

BEGIN

PROCESS(SEL,CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='0' THEN

SEL<=SEL+'1';

ELSE

NULL;

END IF;

IF CLK'EVENT AND CLK='0' THEN

A<=A+'1';

ELSE NULL;

END IF;

CASE A IS

WHEN "0000"=>LOAD<='0';

WHEN "0001"=>LOAD<='0';

WHEN "0010"=>LOAD<='0';

WHEN "0011"=>LOAD<='0';

WHEN OTHERS=>LOAD<='1';

END CASE;

CASE SEL IS

WHEN "0000"=>COUT<="001111100";XOUT<="000000000";

WHEN "0001"=>COUT<="011010110";XOUT<="000000000";

WHEN "0010"=>COUT<="000111001";XOUT<="000000000";

WHEN "0011"=>COUT<="111011111";XOUT<="000000000";

WHEN "0100"=>XOUT<="001100100";COUT<="000000000";

WHEN "0101"=>XOUT<="010010110";COUT<="000000000";

WHEN "0110"=>XOUT<="011001000";COUT<="000000000";

WHEN "0111"=>XOUT<="011111010";COUT<="000000000";

WHEN OTHERS=>XOUT<="000000000";COUT<="000000000";

END CASE;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

-- XSKZQ的源程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITY XSKZQ IS

PORT (ABCD_Y:IN STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0);

ABCD_X:IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

G,S,B,Q,C,A,D,F:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));

END ENTITY XSKZQ;

ARCHITECTURE ART OF XSKZQ IS

SIGNAL TEMP1,TEMP2,TEMP3,TEMP4,TEMP5,TEMP6,TEMP7,TEMP8:INTEGER RANGE 0 TO 9;

SIGNAL T0,T1,T2,T3,T5,T6,T7,T8:INTEGER RANGE 0 TO 10#9999#;

BEGIN

PROCESS (ABCD_X) IS

BEGIN

T0<=CONV_INTEGER(ABCD_x);

T5<=CONV_INTEGER(ABCD_Y);

T1<=T0-T0/1000*1000;T2<=T1-T1/100*100;T3<=T2-T2/10*10;

TEMP1<=T3;

TEMP2<=(T2-T3)/10;

TEMP3<=(T1-T2)/100;

TEMP4<=(T0-T1)/1000;

T6<=T5-T5/1000*1000;T7<=T6-T6/100*100;T8<=T7-T7/10*10;

TEMP5<=T8;

TEMP6<=(T7-T8)/10;

TEMP7<=(T6-T7)/100;

TEMP8<=(T5-T6)/1000;

CASE TEMP1 IS

WHEN 0 =>G<="0000";

WHEN 1 =>G<="0001";

WHEN 2 =>G<="0010";

WHEN 3 =>G<="0011";

WHEN 4 =>G<="0100";

WHEN 5 =>G<="0101";

WHEN 6 =>G<="0110";

WHEN 7 =>G<="0111";

WHEN 8 =>G<="1000";

WHEN 9 =>G<="1001";

WHEN OTHERS=>G<="0000";

END CASE;

……

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

-- KG2的源程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY KG_2 IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

K:IN STD_LOGIC;

X:IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

Y:IN STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0);

X_OUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

Y_OUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0));

END ENTITY KG_2;

ARCHITECTURE ART OF KG_2 IS

BEGIN

PROCESS(CLK,K)IS

BEGIN

IF K='1' THEN

X_OUT<=X;

ELSE

Y_OUT<=Y;

END IF;

END PROCESS;

END ARCHITECTURE ART;

-- FIR的源程序

--FIR.VHD

LIBRARY LPM;

USE LPM.LPM_COMPONENTS.ALL;

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY FIR IS

GENERIC(W1:INTEGER:=9;

W2:INTEGER:=18;

W3:INTEGER:=19;

W4:INTEGER:=11;

L:INTEGER:=4;

MPIPE:INTEGER:=3);

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

LOAD_X:IN STD_LOGIC;

X_IN:IN STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0);

C_IN:IN STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0);

Y_OUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(W4-1 DOWNTO 0));

END ENTITY FIR;

ARCHITECTURE ART OF FIR IS

SUBTYPE N1BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0);

SUBTYPE N2BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W2-1 DOWNTO 0);

SUBTYPE N3BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W3-1 DOWNTO 0);

TYPE ARRAY_N1BIT IS ARRAY(0 TO L-1) OF N1BIT;-

TYPE ARRAY_N2BIT IS ARRAY(0 TO L-1) OF N2BIT;

TYPE ARRAY_N3BIT IS ARRAY(0 TO L-1) OF N3BIT;

SIGNAL X:N1BIT;

SIGNAL Y:N3BIT;

SIGNAL C:ARRAY_N1BIT;

SIGNAL P:ARRAY_N2BIT;

SIGNAL A:ARRAY_N3BIT;

BEGIN

LOAD:PROCESS IS

BEGIN

WAIT UNTIL CLK='1';

IF (LOAD_X='0')THEN

C(L-1)<=C_IN;

FOR I IN L-2 DOWNTO 0 LOOP

C(I)<=C(I+1);

END LOOP;

ELSE

X<=X_IN;

END IF;

END PROCESS LOAD;

SOP:PROCESS(CLK)IS

BEGIN

IF CLK'EVENT AND(CLK='1')THEN

FOR I IN 0 TO L-2 LOOP

A(I)<=(P(I)(W2-1)&P(I))+A(I+1);

END LOOP;

A(L-1)<=P(L-1)(W2-1)&P(L-1);

END IF;

Y<=A(0);

END PROCESS SOP;

MULGEN:FOR I IN 0 TO L-1 GENERATE

MULS:LPM_MULT

GENERIC MAP(LPM_WIDTHA=>W1,LPM_WIDTHB=>W1,

LPM_PIPELINE=>MPIPE,

LPM_REPRESENTATION=>"SIGNED",

LPM_WIDTHP=>W2,

LPM_WIDTHS=>W2)

PORT MAP(CLOCK=>CLK,DATAA=>X,

DATAB=>C(I),RESULT=>P(I));

END GENERATE;

Y_OUT<=Y(W3-1 DOWNTO W3-W4);

END ARCHITECTURE ART;

-- TOP的源程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

--USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

ENTITY TOP IS

PORT(CLK,CLK2,K1,K2:IN STD_LOGIC;

COM:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

SEG:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));

END ENTITY TOP;

ARCHITECTURE ART OF TOP IS

COMPONENT CLKGEN IS

PORT(CLK: IN STD_LOGIC;

NEWCLK: OUT STD_LOGIC);

END COMPONENT CLKGEN;

COMPONENT CTRLS IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

SEL:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0));

END COMPONENT CTRLS;

COMPONENT DISPLAY IS

PORT(SEL:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);

G,S,B,Q,C,A,D,F:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

COM:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

SEG:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));

END COMPONENT DISPLAY;

COMPONENT KG IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

K:IN STD_LOGIC;

TIMES:OUT STD_LOGIC);

END COMPONENT KG;

COMPONENT XSKZQ IS

PORT (ABCD_X:IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

ABCD_Y:IN STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0);

G,S,B,Q,C,A,D,F:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));

END COMPONENT XSKZQ;

COMPONENT KZSR IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

XOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

LOAD:OUT STD_LOGIC;

COUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0));

END COMPONENT KZSR;

COMPONENT FIR IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

LOAD_X:IN STD_LOGIC;

X_IN:IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

C_IN:IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

Y_OUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0));

END COMPONENT FIR;

SIGNAL S1,S2,S4:STD_LOGIC;

SIGNAL S3,S5:STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

SIGNAL S6:STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0);

SIGNAL G1,B1,S_1,Q1,C1,A1,D1,F1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

SIGNAL SEL_1:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);

BEGIN

U1:KG PORT MAP(CLK=>CLK,K=>K1,TIMES=>S1);

U2:CLKGEN PORT MAP(CLK=>S1,NEWCLK=>S2);

U3:KZSR PORT MAP(CLK=>S2,XOUT=>S3,LOAD=>S4,COUT=>S5);

U4:FIR PORT MAP(CLK=>S2,LOAD_X=>S4,X_IN=>S3,C_IN=>S5,Y_OUT=>S6);

U7:XSKZQ PORT MAP(ABCD_X=>S3,ABCD_Y=>S6,G=>G1,S=>S_1,B=>B1,Q=>Q1,C=>C1,A=>A1,D=>D1,F=>F1);

U8:CTRLS PORT MAP(CLK=>CLK2,SEL=>SEL_1);

U9:DISPLAY PORT MAP(SEL=>SEL_1,G=>G1,S=>S_1,B=>B1,Q=>Q1,C=>C1,A=>A1,D=>D1,F=>F1,COM=>COM,SEG=>SEG);

END ARCHITECTURE ART;

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