【Verilog 教程】7.3 Verilog 串行 FIR 滤波器设计

串行 FIR 滤波器设计
设计说明

设计参数不变，与并行 FIR 滤波器参数一致。即，输入频率为 7.5 MHz 和 250 KHz 的正弦波混合信号，经过 FIR 滤波器后，高频信号 7.5MHz 被滤除，只保留 250KMHz 的信号。

输入频率：    7.5MHz 和 250KHz
采样频率：    50MHz
阻带：           1MHz-6MHz
阶数：           15 （N=15）

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

设计中使用到的乘法器模块代码，可参考之前流水线式设计的乘法器。

为方便快速仿真，也可以直接使用乘号 * 完成乘法运算，设计中加入宏定义 SAFE_DESIGN 来选择使用哪种乘法器。

FIR 滤波器系数可由 matlab 生成，具体见附录。

/**********************************************************
>> Description : fir study with serial tech
>> V190403     : Fs:50Mhz, fstop:1-6Mhz, order:16, sys clk:400MHz
***********************************************************/
`define SAFE_DESIGNmodule fir_serial_low(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reg        [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

testbench 编写如下，主要功能就是不间断连续的输入 250KHz 与 7.5MHz 的正弦波混合信号数据。输入的混合信号数据也可由 matlab 生成，具体见附录。

其中，工作频率为 400MHz，但输入数据和输入数据有效信号应当都保持 50MHz 的频率输入。

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("../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 ;end end fir_serial_low       u_fir_serial (.clk         (clk),.rstn        (rst_n),.en          (en),.xin         (xin),.valid       (valid),.yout        (yout));endmodule

仿真结果

由下图仿真结果可知，经过 FIR 滤波器后的信号只有一种低频率信号（250KHz），高频信号（7.5MHz）被滤除了。为了波形更加的美观，取 16 个之后的滤波数据作为有效输出。

波形局部放大后如下图所示，此时输入数据有效信号 en 与输出数据有效信号 valid 是周期（50MHz）相同的脉冲信号，不是持续有效的。但工作时钟为 400MHz，所以输出也会呈现为 50MHz 采样频率下的 250KHz 频率的正弦波信号。

附录：matlab 使用（与《并行 FIR 滤波器设计》一致）
生成 FIR 滤波器系数

打开 matlab，在命令窗口输入命令： fdatool。

然后会打开如下窗口，按照 FIR 滤波器参数进行设置，如下所示。

这里选择的 FIR 实现方法是最小二乘法（Least-squares），不同的实现方式滤波效果也不同。

点击 File -> Export

将滤波器参数输出，存到变量 coef 中，如下图所示。

此时 coef 变量应该是浮点型数据。对其进行一定倍数的相乘扩大，然后取其近似的定点型数据作为设计中的 FIR 滤波器参数。这里取扩大倍数为 2048，结果如下所示。

生成输入的混合信号

利用 matlab 生成混合的输入信号参考代码如下。

信号为无符号定点型数据，位宽宽度为 12bit，存于文件 cosx0p25m7p5m12bit.txt 。

clear all;close all;clc;
%=======================================================
% generating a cos wave data with txt hex format
%=======================================================fc          = 0.25e6 ;      % 中心频率
fn          = 7.5e6 ;       % 杂波频率
Fs          = 50e6 ;        % 采样频率
T           = 1/fc ;        % 信号周期
Num         = Fs * T ;      % 周期内信号采样点数
t           = (0:Num-1)/Fs ;      % 离散时间
cosx        = cos(2*pi*fc*t) ;    % 中心频率正弦信号
cosn        = cos(2*pi*fn*t) ;    % 杂波信号
cosy        = mapminmax(cosx + cosn) ;     %幅值扩展到（-1,1） 之间
cosy_dig    = floor((2^11-1) * cosy + 2^11) ;     %幅值扩展到 0~4095
fid         = fopen('cosx0p25m7p5m12bit.txt', 'wt') ;  %写数据文件
fprintf(fid, '%x\n', cosy_dig) ;
fclose(fid) ;%时域波形
figure(1);
subplot(121);plot(t,cosx);hold on ;
plot(t,cosn) ;
subplot(122);plot(t,cosy_dig) ;%频域波形
fft_cosy    = fftshift(fft(cosy, Num)) ;
f_axis      = (-Num/2 : Num/2 - 1) * (Fs/Num) ;
figure(5) ;
plot(f_axis, abs(fft_cosy)) ;