MATLAB設計FPGA實現(xiàn)聯(lián)合ISE和Modelsim仿真的FIR濾波器設計

1、QQ:290632690 膚淺。制作圖3用MATLAB回讀C盤根目錄下的matlab_wave_data.txt文件，驗證存入的波形數(shù)據(jù)是否正確，MATLAB代碼如下：fid = fopen('c:/matlab_wave_data.txt','r');for i = 1 : 5001;%一共有5001個數(shù)據(jù)num(i) = fscanf(fid, '%x', 1);%從fid所指的文件中，以16進制的方式讀出一個數(shù)據(jù)endfclose(fid);figure(2);plot(num,'b');legend('MATLAB

2、從txt文件中讀出的原始疊加波形數(shù)據(jù)');title('直接回讀MATLAB產生的兩個正弦信號的疊加波形'); 顯示的波形如圖4所示：圖4對比圖4和圖2中的疊加波形，可知以上操作的正確性。1) 用MATLAB設計FIR濾波器輸入信號是頻率別為0.5MHz和2MHz的正弦信號的疊加，我們的任務是設計一個低通濾波器濾除掉2MHz的干擾信號。因此，我們可以設計一個采樣率為25MHz的低通濾波器，其通帶帶寬為1MHz，阻帶寬度為2MHz。通帶內紋波抖動為1dB，阻帶下降為80dB。在MATLAB的命令窗口輸入：fdatool命令并回車，打開FDATool工具箱，用MATLAB的

3、FDATool工具設計該濾波器，參數(shù)設置如圖5所示：設計好參數(shù)后，點擊DesignFilter，可以在FDATool窗口的左上角看到濾波器的階數(shù)為63階，點擊File àGenerate M-file，并將濾波器命名為mylowfilter。圖5 編寫如下代碼，濾除混疊信號中的高頻信號。Hd = mylowfilter; % 濾波器名稱output = filter(Hd, y1); % 對疊加信號 y ，進行濾波處理figure(3);plot(y2, 'k');hold on;plot(output, 'r');legend('0.5MHz

4、原始信號','濾波后取出的信號');title('信號通過MTALAB的低通濾波器后的波形'); 濾波后的波形如圖6所示：圖6生成.coe文件，用于Xilinx的IPCore設計濾波器，F(xiàn)DATool窗口點擊File àExport，保持默認設置，點擊Export即可，次數(shù)在MATLAB的workspace窗口多出一個Num的1*64的數(shù)組，這就是濾波器的系數(shù)，如圖7所示：圖7由于MATLAB生成的濾波器系數(shù)全是一些小數(shù)，而FPGA只能處理整數(shù)，因此我們必須將這些小數(shù)擴大一定的倍數(shù)，使它們變成整數(shù)。在MATLAB的命令窗口輸入下面的一段代碼然后

5、按Enter，即可將上面這些系數(shù)變?yōu)檎麛?shù)，注意這里的*32767，表示將系數(shù)擴大32767倍，這里的擴大倍數(shù)只能選2N，目的是為了后面濾波后的波形數(shù)據(jù)的高位截取（丟掉低位，即除以2N）。返回ans=0，表示操作正確。coeff=round(Num/max(abs(Num)*32767);% abs() 求絕對值，max() 求最大值，round() 四舍五入fid = fopen('e:/fircoe.txt','wt'); %將濾波器系數(shù)寫入文件件中fprintf(fid,'%16.0fn',coeff);% 將濾波器系數(shù)以16位浮點數(shù)的格式保

6、存fclose(fid) 程序運行的結果如圖8所示：圖8將文件的格式改為.coe格式，在文件的開口加上：radix = 10;coefdata = 圖11圖12FIR的IPCore的列化如下：FIR16_IP FIR16_IP_ins (.clk(clk), / input clk.rfd(rfd), / output rfd 在其上升沿將輸入數(shù)據(jù)加載到濾波器內核中.rdy(rdy), / output rdy 在其上升沿輸出濾波器的計算結果.din(data_in_reg), / input 15 : 0 din.dout(dout); / output 35 : 0 dout 特別注意這個

7、數(shù)據(jù)位寬我們主要對其進行簡單的控制：在rfd 上升沿將輸入數(shù)據(jù)加載到濾波器內核中，在rdy 上升沿輸出濾波器的計算結果。具體的Verilog代碼如下：always (posedge clk) beginif(reset = 1'b0) begini<=1'b0;m<=1'b0;data_in_reg<=16'h0000;endelse beginrfd_1q<=rfd;rfd_2q<=rfd_1q;if(rfd_1q & rfd) begin/ rfd 信號的上升沿將輸入數(shù)據(jù)加載到濾波器內核中data_in_reg<=

8、data_ini;i <=i + 1;m <=m;if(i = 2002)i<=0;endendendalways (posedge clk) beginif(reset = 1'b0) beginData_out_reg<=0;j<=0;n<=0;endelse beginrdy_1q<=rdy;rdy_2q<=rdy_1q;if(rdy_1q & rdy) beginData_out_reg<=dout;j<=j + 1'b1;n <=n;endendend這里還做了一個附加功能，將FIR濾波器的輸入

9、數(shù)據(jù)存放到一個.txt文件當中，然后用MATLAB去讀取這個波形文件數(shù)據(jù)，看看讀出的波形是否和原來的混疊波形一樣。具體的Verilog和MATLAB代碼如下：integer wr_file;initial wr_file = $fopen("c:/FIR_in_data.txt");always ( m ) beginif(reset = 1'b1) begin$fdisplay(wr_file,"%h", data_in_reg);/ 33bit數(shù)if(j = 11'd2002) /共寫入2001個數(shù)據(jù)$stop;endendfid =

10、 fopen('c:/FIR_in_data.txt','r');for j = 1 : 2000;num1(j) = fscanf(fid, '%x', 1);%這句話的意思是從fid所指的文件以16進制方式讀出一個數(shù)據(jù)。endfclose(fid);figure(4);plot(num1,'r');legend('Verilog讀出的txt文件中的數(shù)據(jù)');title('FIR濾波器的輸入數(shù)據(jù)'); MATLAB讀出的波形數(shù)據(jù)如圖13所示：圖13這里我也搞了好久才搞好，這里FIR濾波器的輸出數(shù)據(jù)

11、位寬變成了36bit，而輸入數(shù)據(jù)位寬是16bit，為什么數(shù)據(jù)會變大幾萬倍呢？因為我們在將濾波器的系數(shù)由小數(shù)變成整數(shù)的時候，對這些系數(shù)整體擴大了32767倍，再做了一個四舍五入（影響濾波器精度），對濾波器的系數(shù)擴大的倍數(shù)越大，四舍五入對精度的影響就越小，但是系數(shù)乘的倍數(shù)越大，F(xiàn)PGA在做乘加運算也就越復雜，也就越耗時，越耗資源，因此我們需要找一個平衡點。這里為了將信號的幅度變回原始的幅度（盡可能的靠近），我們只能通過將低位截取掉，截取低位相當于對數(shù)據(jù)做除法（除2），所以前面的濾波器系數(shù)的擴大倍數(shù)我們一定要用2N，這樣我們在這里還原信號幅度的時候，只需要截位就能達到目的。比如這里我們對濾波器的系數(shù)

12、乘了32767，那我們在做除法還原波形幅度時，只需要除以32767即可（即截掉低16bit）。還有一種操作方式就是我們只保留數(shù)據(jù)的高16bit（和輸入數(shù)據(jù)的位寬保持一致），這兩種方式波形的幅度也就幾倍的差距，我還沒有完全搞懂這里，究竟怎樣才能將波形的幅度完全的還原回去，還是一個值得好好思考的問題？另一個問題是我的電腦是32bit位寬的，如果我們一次性讓MATLAB讀取36bit的數(shù)據(jù)那么數(shù)據(jù)的高4bit會讀不上來，會導致很奇怪的波形，我也遇到了這個問題。如圖14所示，波形明顯可以通過一些平移拼合成一個正弦波。通過對波形數(shù)據(jù)一個個的分析，我找到了這個問題。圖14圖15是波形幅度發(fā)生變化的截圖：圖

13、15字濾波器的性能，肯定能夠大大的縮短設計周期，提升濾波器性能。附錄：附錄為Verilog源代碼和MATLAB源代碼，這些源代碼是經過調試的，是可以直接使用的。供大家參考。Verilog源代碼：module FIR_Lowpass(clk,reset, Data_out);inputclk;inputreset;output31 :0Data_out;reg35 :0Data_out_reg;reg 10:0 i = 0;reg 10:0 j = 0;reg 15 :0 data_in0:2000; /定義一個16bit * 2001的數(shù)組reg 15:0 data_in_reg = 0;in

14、itial begin/ 讀出MATLAB產生的波形數(shù)據(jù) 0.5MHz_sin + 4MHz_sin 信號$readmemh("c:/matlab_wave_data.txt", data_in); /將 matlab_wave_data.txt中的數(shù)據(jù)讀入存儲器 data_inendwirerfd;wirerdy;wire 35:0dout;regrfd_1q;regrfd_2q;regrdy_1q;regrdy_2q;regn = 0;regm = 0;always (posedge clk) beginif(reset = 1'b0) begini<=1

15、'b0;m<=1'b0;data_in_reg<=16'h0000;endelse beginrfd_1q<=rfd;rfd_2q<=rfd_1q;if(rfd_1q & rfd) begin/ rfd 信號的上升沿將輸入數(shù)據(jù)加載到濾波器內核中data_in_reg<=data_ini;i <=i + 1;m <=m;if(i = 2002)i<=0;endendendFIR16_IP FIR16_IP_ins (.clk(clk), / input clk.rfd(rfd), / output rfd 在其上升沿

16、將輸入數(shù)據(jù)加載到濾波器內核中.rdy(rdy), / output rdy 在其上升沿輸出濾波器的計算結果.din(data_in_reg), / input 15 : 0 din.dout(dout); / output 35 : 0 doutalways (posedge clk) beginif(reset = 1'b0) beginData_out_reg<=0;j<=0;n<=0;endelse beginrdy_1q<=rdy;rdy_2q<=rdy_1q;if(rdy_1q & rdy) beginData_out_reg<=d

17、out;j<=j + 1'b1;n <=n;endendend/剛剛的問題是，matlab讀一個數(shù)據(jù)是32bit的，而FIR的輸出是36bit的，因此高4bit根本沒有讀上來。/ assignData_out31:0 = Data_out_reg35:4;assignData_out31:0 = Data_out_reg35:4;/*integer wr_file;initial wr_file = $fopen("c:/FIR_in_data.txt");always ( m ) beginif(reset = 1'b1) begin$fdis

18、play(wr_file,"%h", data_in_reg);/ 33bit數(shù)if(j = 11'd2002) /共寫入2001個數(shù)據(jù)$stop;endend/*integer w_file;initial w_file = $fopen("c:/FIR_out.txt");always ( n ) beginif(reset = 1'b1) begin$fdisplay(w_file,"%h", Data_out31:14);/ 33bit數(shù)if(j = 11'd2002) /共寫入2001個數(shù)據(jù)$stop

19、;endendendmoduleMATLAB源代碼%* MATLAB產生信號并保存到.txt文件中 *clear all;fs = 25000000; % 25M 采樣率t = 0:1/fs:0.0002;% 共0.0002 * 25000000 = 5000個點f1 = 500000;f2 = 2000000;signal1 = sin(2*pi*f1*t); % 頻率為 0.5MHz 的正弦信號signal2 = sin(2*pi*f2*t); % 頻率為 4.0MHz 的正弦信號%y1 = signal1 + signal2; % 兩個正弦信號疊加%x = linspace(0, 12.

20、56, 2048); % 在區(qū)間0,6.28 = 2*pi 之間等間隔的取1024個點%y1 = sin(x); % 計算相應的余弦值% 由于正、余弦波形的值在0,1之間，需要量化成16bit,先將數(shù)值放大%y1 = y1 * 32768; % 32 * 1024 = 32768%y1 = y1 * 16384; % 32 * 1024 = 32768%y1 = y1 + 32768;y2 = fix(16384 + (214 - 1) * signal1);y3 = fix(16384 + (214 - 1) * signal2);y1 = y2 + y3;% 再將放大的浮點值量化，并寫道到

21、存放在C盤的文本中fid = fopen('c:/matlab_wave_data.txt', 'wt');%fprintf(fid, '%16.0fn', y1); % 在寫文件時量化為16bit的定點實數(shù)【%16.0f,16.0表示16bit定點數(shù)，f表示實數(shù)】，范圍是： -32768 - 32767fprintf(fid, '%xn', y1); % 在寫文件時量化為16bit的定點實數(shù)【%16.0f,16.0表示16bit定點數(shù)，f表示實數(shù)】，范圍是： -32768 - 32767fclose(fid);figure(1)

22、;plot(y2, 'b');hold on;plot(y3, 'b');hold on;plot(y1, 'r');legend('0.5MHz正弦','2MHz正弦','兩者疊加');title('MATLAB產生的兩個正弦信號的疊加波形');%* MATLAB回讀保存到.txt文件中的信號 *fid = fopen('c:/matlab_wave_data.txt','r');for i = 1 : 5001;%num(i) = fscanf(f

23、id, '%f', 1);%從fid所指的文件中，以實數(shù)的方式讀出一個數(shù)據(jù)num(i) = fscanf(fid, '%x', 1);%從fid所指的文件中，以實數(shù)的方式讀出一個數(shù)據(jù)endfclose(fid);figure(2);plot(num,'b');legend('MATLAB從txt文件中讀出的原始疊加波形數(shù)據(jù)');title('直接回讀MATLAB產生的兩個正弦信號的疊加波形');%* MATLAB設計FIR濾波器并對比濾波器前后的波形 *Hd = mylowfilter; % 濾波器名稱output = filter(Hd, y1); % 對疊加信號 y ，進行濾波處理figure(3);plot(y2