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串行FIR滤波器

串行 FIR 滤波器设计

串行设计,就是在 16 个时钟周期内对 16 个延时数据分时依次进行乘法、加法运算,然后在时钟驱动下输出滤波值。考虑到 FIR 滤波器系数的对称性,计算一个滤波输出值的周期可以减少到 8 个。串行设计时每个周期只进行一次乘法运算,所以设计中只需一个乘法器即可。此时数据需要每 8 个时钟周期有效输入一次,但是为了保证输出信号频率的正确性,工作时钟需要为采样频率的 8 倍,即 400MHz。这种方法的优点是资源耗费少,但是工作频率要求高,数据不能持续输出。

串行设计

/**********************************************************
>> Description : fir study with serial tech
>>             : Fs:50Mhz, fstop:1-6Mhz, order:16, sys clk:400MHz
***********************************************************/
`define SAFE_DESIGNmodule fir_serial(input                rstn,input                clk,   // 系统工作时钟,400MHzinput                en ,   // 输入数据有效信号input        [11:0]  xin,   // 输入混合频率的信号数据output               valid, // 输出数据有效信号output       [28:0]  yout   // 输出数据);//delay of input data enablereg [11:0]            en_r ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginen_r[11:0]      <= 'b0 ;endelse beginen_r[11:0]      <= {en_r[10:0], en} ;endend//fir coeficientwire        [11:0]   coe[7:0] ;assign coe[0]        = 12'd11 ;assign coe[1]        = 12'd31 ;assign coe[2]        = 12'd63 ;assign coe[3]        = 12'd104 ;assign coe[4]        = 12'd152 ;assign coe[5]        = 12'd198 ;assign coe[6]        = 12'd235 ;assign coe[7]        = 12'd255 ;//(1) 输入数据移位部分reg [2:0]            cnt ;integer              i, j ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) begincnt <= 3'b0 ;endelse if (en || cnt != 0) begincnt <= cnt + 1'b1 ;    //8个周期计数endendreg [11:0]           xin_reg[15:0];always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginfor (i=0; i<16; i=i+1) beginxin_reg[i]  <= 12'b0;endendelse if (cnt == 3'd0 && en) begin    //每8个周期读入一次有效数据xin_reg[0] <= xin ;for (j=0; j<15; j=j+1) beginxin_reg[j+1] <= xin_reg[j] ; // 数据移位endendend//(2) 系数对称,16个移位寄存器数据进行首位相加reg  [11:0]          add_a, add_b ;reg  [11:0]          coe_s ;wire [12:0]          add_s ;wire [2:0]           xin_index = cnt>=1 ? cnt-1 : 3'd7 ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginadd_a  <= 13'b0 ;add_b  <= 13'b0 ;coe_s  <= 12'b0 ;endelse if (en_r[xin_index]) begin //from en_r[1]add_a  <= xin_reg[xin_index] ;add_b  <= xin_reg[15-xin_index] ;coe_s  <= coe[xin_index] ;endendassign add_s = {add_a} + {add_b} ;  //(3) 乘法运算,只用一个乘法wire        [24:0]    mout ;
`ifdef SAFE_DESIGNwire                 en_mult ;wire [3:0]           index_mult = cnt>=2 ? cnt-1 : 4'd7 + cnt[0] ;mult_man #(13, 12)   u_mult_single    //例化自己设计的流水线乘法器(.clk        (clk),.rstn       (rstn),.data_rdy   (en_r[index_mult]),  //注意数据时序对应.mult1      (add_s),.mult2      (coe_s),.res_rdy    (en_mult),  .res        (mout));`elsealways @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginmout   <= 25'b0 ;endelse if (|en_r[8:1]) beginmout   <= coe_s * add_s ;  //直接乘endendwire                 en_mult = en_r[2];
`endif//(4) 积分累加,8组25bit数据 -> 1组 29bit 数据reg        [28:0]    sum ;reg                  valid_r ;//mult output en counterreg [4:0]            cnt_acc_r ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) begincnt_acc_r <= 'b0 ;endelse if (cnt_acc_r == 5'd7) begin  //计时8个周期cnt_acc_r <= 'b0 ;endelse if (en_mult || cnt_acc_r != 0) begin //只要en有效,计时不停cnt_acc_r <= cnt_acc_r + 1'b1 ;endendalways @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginsum      <= 29'd0 ;valid_r  <= 1'b0 ;endelse if (cnt_acc_r == 5'd7) begin //在第8个累加周期输出滤波值sum      <= sum + mout;valid_r  <= 1'b1 ;endelse if (en_mult && cnt_acc_r == 0) begin //初始化sum      <= mout ;valid_r  <= 1'b0 ;endelse if (cnt_acc_r != 0) begin //acculating between cyclessum      <= sum + mout ;valid_r  <= 1'b0 ;endend//时钟锁存有效的输出数据,为了让输出信号不是那么频繁的变化reg [28:0]           yout_r ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginyout_r <= 'b0 ;endelse if (valid_r) beginyout_r <= sum ;endendassign yout = yout_r ;//(5) 输出数据有效延迟,即滤波数据丢掉前15个滤波值reg [4:0]    cnt_valid ;always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) begincnt_valid      <= 'b0 ;endelse if (valid_r && cnt_valid != 5'd16) begincnt_valid      <= cnt_valid + 1'b1 ;endendassign valid = (cnt_valid == 5'd16) & valid_r ;endmodule

testbench

module test ;//inputreg          clk ;reg          rst_n ;reg          en ;reg  [11:0]  xin ;//outputwire [28:0]  yout ;wire         valid ;parameter    SIMU_CYCLE   = 64'd1000 ;parameter    SIN_DATA_NUM = 200 ;//=====================================
// 8*50MHz clk generatinglocalparam   TCLK_HALF     = (10_000 >>3);initial beginclk = 1'b0 ;forever begin# TCLK_HALF clk = ~clk ;endend//============================
//  reset and finishinitial beginrst_n = 1'b0 ;# 30        rst_n = 1'b1 ;# (TCLK_HALF * 2 * 8  * SIMU_CYCLE) ;$finish ;end//=======================================
// read cos data into registerreg          [11:0] stimulus [0: SIN_DATA_NUM-1] ;integer      i ;initial begin$readmemh("E:/appdata/SimulationTools/modelsim/demo/filter/FIR_filter/tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt", stimulus) ;en = 0 ;i = 0 ;xin = 0 ;# 200 ;forever beginrepeat(7)  @(negedge clk) ; //空置7个周期,第8个周期给数据en          = 1 ;xin         = stimulus[i] ;@(negedge clk) ;en          = 0 ;         //输入数据有效信号只持续一个周期即可if (i == SIN_DATA_NUM-1)  i = 0 ;else  i = i + 1 ;endendfir_serial       u_fir_serial (.clk         (clk),.rstn        (rst_n),.en          (en),.xin         (xin),.valid       (valid),.yout        (yout));endmodule

仿真结果

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