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1 項(xiàng)目背景 （源碼下載，至簡設(shè)計(jì)法輔導(dǎo)交流群：544453837）1.1 FIR和IIR濾波器 FIR（Finite Impulse Response）Filter：有限沖激響應(yīng)濾波器，又稱為非遞歸線性濾波器。 FIR濾波器，顧名思義，其脈沖響應(yīng)由有限個(gè)采樣值構(gòu)成。長度（抽頭數(shù)）為N、階數(shù)為N−1的FIR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)、差分方程和單位沖激響應(yīng)分別如下列三式所示。 IIR（Infinite Impulse Response）Filter：無限沖激響應(yīng)濾波器，又稱為遞歸線性濾波器。 FIR相對(duì)與IIR來說，具有如下的優(yōu)點(diǎn)： Ø 可以具備線性相位特性 線性相位的概念：如果濾波器的N個(gè)實(shí)值系數(shù)為對(duì)稱或者反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該濾波器具有線性相位。 W(n)=±W(N−1−n)W(n)=±W(N−1−n) 線性相位的特性：通過線性相位濾波器的信號(hào)的所有頻率部分具有相同的延遲量。 Ø 易于設(shè)計(jì) 但FIR也有自身的缺點(diǎn)：同樣指標(biāo)的濾波器，F(xiàn)IR需要更多的參數(shù)，即實(shí)現(xiàn)時(shí)消耗更多的計(jì)算單元，產(chǎn)生更大的延遲。 1.2 FIR濾波器的原理 信號(hào)通過一個(gè)FIR濾波器其實(shí)就是信號(hào)與FIR濾波器的系數(shù)進(jìn)行卷積（即乘累加）的過程。我們以一個(gè)簡單信號(hào)模型為例，了解一下FIR波形器的原理。 現(xiàn)在有三組信號(hào)，分別是： 信號(hào)1：低頻信號(hào)，即在時(shí)域上變化慢的信號(hào)，其輸入先后為1 1 1 1 2 2 2 2。 信號(hào)2：直流信號(hào)，其輸入先后為1 1 1 1 1 1 1 。 信號(hào)3：高頻信號(hào)，即在時(shí)域上變化快的信號(hào)，其輸入先后為1 2 1 2 1 2 1 2 。 簡單的濾波器模型 低通濾波器：1 1 信號(hào)1與低通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：1 1 1 1.5 2 2 2�？梢钥吹�，低頻信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后，各個(gè)點(diǎn)仍然保持了其形狀，而且在1變成2時(shí)，還變平緩了。 信號(hào)2與低通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：1 1 1 1 1 1 1。可以看到，直流信號(hào)與輸入的信號(hào)完成相同。 信號(hào)3與低通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：1.5 1.5 1.5 1.51.5 1.5 1.5。可以看到，高頻信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后，已經(jīng)完成消去了形狀，變成了直流信號(hào)。 再考慮另一種濾波器模型，高通濾波器：1 -1 信號(hào)1與高通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：0 0 0 -0.5 0 0 0�？梢钥吹�，低頻信號(hào)經(jīng)過高通濾波器后，信號(hào)變化基本上消失。 信號(hào)2與低通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：0 0 0 0 0 0 0。可以看到，直流信號(hào)仍然是沒有變化。 信號(hào)3與低通濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其結(jié)果再除以2，得到如下數(shù)據(jù)：-0.5 0.5 -0.5 0.5-0.5 0.5 -0.5 0.5�？梢钥吹�，高頻信號(hào)已經(jīng)仍然保持了變化的形狀。 由這兩個(gè)例子可以看出，F(xiàn)IR濾波器其實(shí)就是信號(hào)與FIR濾波器的系數(shù)進(jìn)行卷積（即乘累加）的過程。通過調(diào)整濾波器系數(shù)、抽頭個(gè)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通等濾波器。 1.3 FIR濾波器的設(shè)計(jì)1.3.1 matlab產(chǎn)生濾波器系數(shù) 打開matlab在其命令窗口輸入fdatool 按下回車 調(diào)出FIR濾波器的設(shè)計(jì)界面。 在波形設(shè)計(jì)界面中，我們重要關(guān)注以下選項(xiàng)。 Response Type：選擇可以選擇濾波器的類型，可選擇：lowpass低通濾波器、Highpass高通濾波器、bandpass帶通濾波器、bandstop帶阻濾波器。 Fs（采樣頻率）： Fstop ：信號(hào)截止頻率 Fpass： Filter Order：用來設(shè)置濾波器的抽頭個(gè)數(shù)�？梢栽趕pecify order中輸入個(gè)數(shù)，也可以選擇Minimumorder，讓系統(tǒng)計(jì)算滿足要求的前提下的最小抽頭個(gè)數(shù)。 點(diǎn)擊Design Filter，就可以計(jì)算出抽頭系數(shù)。 產(chǎn)生系數(shù)后點(diǎn)擊file 菜單里的Export 將系數(shù)保存到工作區(qū) 點(diǎn)擊export 點(diǎn)擊之后打開工作區(qū)里的Num。 而后將下圖第一列的數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到txt文件中。 注意復(fù)制后需在兩個(gè)系數(shù)間插入逗號(hào)（英文輸入狀態(tài)下的的逗號(hào)）。 這樣就得到濾波器的系數(shù)了。 1.3.2FPGA生成FIR IP核 打開工程后，在IP catalog這一界面中選擇DSP下一目錄中選擇Filter 在選擇選擇 FIR II 首先在Fitter這一界面做如下操作 Filter Type Interpolation Factor： Decimation Factor： Max Number of channels： Clock rate：填寫本IP核的工作時(shí)鐘頻率。 clock slack： Input sample rate （msps）：采樣率 點(diǎn)擊coefficients，進(jìn)入coefficients界面。 這一界面點(diǎn)擊import from file ，彈出一下界面，找出我們之前用matlab生成的系數(shù)文件，點(diǎn)擊import，導(dǎo)入成功后可以看到下圖的 frequency response界面的波形發(fā)生變化 在coefficient界面，還可以設(shè)置系數(shù)的格式、數(shù)據(jù)位寬等。 其它選項(xiàng)不改按默認(rèn)的來點(diǎn)擊finish即可。 以上就是生成 FIR濾波器的主要步驟。 2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 本次案例將使用到采樣率大于100M的雙通道的示波器。將示波器的兩個(gè)通道，分別與FPGA的DA通道1和DA通道2相連，觀察兩路DA的輸出。其連接示意如下圖所示。 本案例是FPGA內(nèi)部產(chǎn)生正弦信號(hào)，這個(gè)正弦信號(hào)一路輸出給DA通道1，另一路經(jīng)過FIR濾波器后，輸出給DA通道2。 正弦信號(hào)的頻率受開發(fā)板上的3個(gè)撥碼開關(guān)控制，用3位信號(hào)key表示，一共可以產(chǎn)生8種頻率。 正弦信號(hào)的頻率 約等于： 100KHz * (key+1)。 例如，當(dāng)key等于0時(shí)，產(chǎn)生約100KHz的正弦信號(hào)； 當(dāng)key等于1時(shí)，產(chǎn)生約200KHz的正弦波； 當(dāng)key等于7時(shí)，產(chǎn)生約800KHz的正弦波。 FIR濾波器是低通濾波器，其截止頻率是500KHz，這樣原則上超過500KHz的信號(hào)就會(huì)被濾除。濾波器的輸出給通道2。 下面是示波器的顯示效果，其中黃色是通道1輸出的信號(hào)（上面的波形），下面藍(lán)色是通道2的輸出信號(hào)（下面的波形）。 下圖是100KHz的信號(hào)圖。 下圖是200KHz的信號(hào)圖。 下圖是300KHz的信號(hào)圖。 下圖是400KHz的信號(hào)圖，可以看到已經(jīng)衰減了。 下圖是500KHz的信號(hào)圖，可以看到已經(jīng)衰減的很小了。 下圖是600KHz的信號(hào)圖，可以看到通道2已經(jīng)沒有波形。 下圖是700KHz的信號(hào)圖，可以看到通道2已經(jīng)沒有波形。下圖是800KHz的信號(hào)圖，可以看到通道2已經(jīng)沒有波形。 下圖是800KHz的信號(hào)圖，可以看到通道2已經(jīng)沒有波形。 3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1 頂層接口 新建目錄：D:\mdy_book\fir_prj。在該目錄中，新建一個(gè)名為fir_prj.v的文件，并用GVIM打開，開始編寫代碼。 我們要實(shí)現(xiàn)的功能，概括起來就是FPGA產(chǎn)生控制AD9709，讓其中的通道A未濾波的正弦信號(hào)，讓通道B輸出濾波后的正弦信號(hào)。為了控制AD9709的工作模式，就要控制AD9709的MODE、SLEEP管腳；為了控制通道A，就需要控制AD9729的CLK1、WRT1、DB7~0P1管腳；為了控制通道B，就需要控制AD9729的CLK2、WRT2、DB7~0P2管腳。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，整個(gè)工程需要以下信號(hào)： 1. 使用clk連接到晶振，表示50M時(shí)鐘的輸入。 2. 使用rst_n連接到按鍵，表示復(fù)位信號(hào)。 3. 使用3位信號(hào)key，表示三位撥碼開關(guān)。 4. 使用dac_mode信號(hào)連接到AD9709的MODE管腳，用來控制其工作模式。 5. 使用dac_sleep信號(hào)連接到AD9709的SLEEP管腳，用來控制其睡眠模式。 6. 使用dac_clka信號(hào)連接到AD9709的CLK1管腳，用來控制通道A的時(shí)鐘。 7. 使用dac_wra信號(hào)連接到AD9709的WRT1管腳，用來控制通道A的寫使能。 8. 使用8位信號(hào)dac_da連接到AD9709的DB7~0P1管腳，用來控制通道A的寫數(shù)據(jù)。 9. 使用dac_clkb號(hào)連接到AD9709的CLK2腳，用來控制通道B時(shí)鐘。 10. 使用dac_wrb號(hào)連接到AD9709的WRT2腳，用來控制通道B使能。 11. 使用8位信號(hào)dac_db接到AD9709的DB7~0P2腳，用來控制通道B寫數(shù)據(jù)。 綜上所述，我們這個(gè)工程需要11個(gè)信號(hào)，時(shí)鐘clk，復(fù)位rst_n，撥碼開關(guān)的輸入key，dac_mode、dac_sleep、dac_clka、dac_wra、dac_da、dac_clkb、dac_wrb和dac_db信號(hào)，其中dac_da和dac_db是8位信號(hào)，其他都是1位信號(hào)。下面表格表示了硬件電路圖的連接關(guān)系。 將module的名稱定義為fir_prj，代碼如下： 其中clk、rst_n是1位的輸入信號(hào)，dac_da和dac_db是8位的輸出信號(hào)，key是3位輸入信號(hào)，dac_mode，dac_clka，dac_wra，dac_sleep，dac_clkb，dac_wrb是一位輸出信號(hào)。 3.2 正弦信號(hào)設(shè)計(jì) 假設(shè)產(chǎn)生的正弦信號(hào)命名為sin_data信號(hào)。sin_data是從表XX中選擇出來的值，該表一共有128個(gè)點(diǎn)。該表的產(chǎn)生方法，請(qǐng)看案例“信號(hào)發(fā)生器和DA轉(zhuǎn)換”一章的內(nèi)容。 很自然地定義一個(gè)7位的選擇信號(hào)addr。我們只要控制好addr，就能方便得到sin_data。因此可以寫出下面代碼。 |
