7.2 Verilog 并行 FIR 滤波器设计
FIR（Finite Impulse Response）滤波器是一种有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器。
FIR 滤波器具有严格的线性相频特性，同时其单位响应是有限长的，因而是稳定的系统，在数字通信、图像处理等领域都有着广泛的应用。
FIR 滤波器原理
FIR 滤波器是有限长单位冲击响应滤波器。直接型结构如下：
FIR 滤波器本质上就是输入信号与单位冲击响应函数的卷积，表达式如下：
FIR 滤波器有如下几个特性：
- (1) 响应是有限长序列。
- (2) 系统函数在 |z| > 0 处收敛，极点全部在 z=0 处，属于因果系统。
- (3) 结构上是非递归的，没有输出到输入的反馈。
- (4) 输入信号相位响应是线性的，因为响应函数 h(n) 系数是对称的。
- (5) 输入信号的各频率之间，相对相位差也是固定不变的。
- (6) 时域卷积等于频域相乘，因此该卷积相当于筛选频谱中各频率分量的增益倍数。某些频率分量保留，某些频率分量衰减，从而实现滤波的效果。
并行 FIR 滤波器设计
设计说明
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 250KHz 的信号。设计参数如下：
输入频率： 7.5MHz 和 250KHz 采样频率： 50MHz 阻带： 1MHz ~ 6MHz 阶数： 15（N-1=15）
由 FIR 滤波器结构可知，阶数为 15 时，FIR 的实现需要 16 个乘法器，15 个加法器和 15 组延时寄存器。为了稳定第一拍的数据，可以再多用一组延时寄存器，即共用 16 组延时寄存器。由于 FIR 滤波器系数的对称性，乘法器可以少用一半，即共使用 8 个乘法器。
并行设计，就是在一个时钟周期内对 16 个延时数据同时进行乘法、加法运算，然后在时钟驱动下输出滤波值。这种方法的优点是滤波延时短，但是对时序要求比较高。
并行设计
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。
实例
/***********************************************************
>> V201001 : Fs：50Mhz, fstop：1Mhz-6Mhz, order： 15
************************************************************/
`define SAFE_DESIGN
module fir_guide (
input rstn , //复位，低有效
input clk , //工作频率，即采样频率
input 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，低频信号，即250KHz
) ;
//data en delay
reg [ 3 : 0 ] en_r ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
en_r [ 3 : 0 ] <= 'b0 ;
end
else begin
en_r [ 3 : 0 ] <= {en_r [ 2 : 0 ] , en } ;
end
end
//(1) 16 组移位寄存器
reg [ 11 : 0 ] xin_reg [ 15 : 0 ] ;
reg [ 3 : 0 ] i , j ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 15 ; i =i + 1 ) begin
xin_reg [i ] <= 1 2'b0 ;
end
end
else if (en ) begin
xin_reg [ 0 ] <= xin ;
for (j = 0 ; j < 15 ; j =j + 1 ) begin
xin_reg [j + 1 ] <= xin_reg [j ] ; //周期性移位操作
end
end
end
//Only 8 multipliers needed because of the symmetry of FIR filter coefficient
//(2) 系数对称，16个移位寄存器数据进行首位相加
reg [ 12 : 0 ] add_reg [ 7 : 0 ] ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
add_reg [i ] <= 1 3'd0 ;
end
end
else if (en_r [ 0 ] ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
add_reg [i ] <= xin_reg [i ] + xin_reg [ 15 -i ] ;
end
end
end
//(3) 8个乘法器
// 滤波器系数，已经过一定倍数的放大
wire [ 11 : 0 ] coe [ 7 : 0 ] ;
assign coe [ 0 ] = 1 2'd11 ;
assign coe [ 1 ] = 1 2'd31 ;
assign coe [ 2 ] = 1 2'd63 ;
assign coe [ 3 ] = 1 2'd104 ;
assign coe [ 4 ] = 1 2'd152 ;
assign coe [ 5 ] = 1 2'd198 ;
assign coe [ 6 ] = 1 2'd235 ;
assign coe [ 7 ] = 1 2'd255 ;
reg [ 24 : 0 ] mout [ 7 : 0 ] ;
`ifdef SAFE_DESIGN
//流水线式乘法器
wire [ 7 : 0 ] valid_mult ;
genvar k ;
generate
for (k = 0 ; k < 8 ; k =k + 1 ) begin
mult_man # ( 13 , 12 )
u_mult_paral (
.clk (clk ) ,
.rstn (rstn ) ,
.data_rdy (en_r [ 1 ] ) ,
.mult1 (add_reg [k ] ) ,
.mult2 (coe [k ] ) ,
.res_rdy (valid_mult [k ] ) , //所有输出使能完全一致
.res (mout [k ] )
) ;
end
endgenerate
wire valid_mult7 = valid_mult [ 7 ] ;
` else
//如果对时序要求不高，可以直接用乘号
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
mout [i ] <= 2 5'b0 ;
end
end
else if (en_r [ 1 ] ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
mout [i ] <= coe [i ] * add_reg [i ] ;
end
end
end
wire valid_mult7 = en_r [ 2 ] ;
`endif
//(4) 积分累加，8组25bit数据 -> 1组 29bit 数据
//数据有效延时
reg [ 3 : 0 ] valid_mult_r ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
valid_mult_r [ 3 : 0 ] <= 'b0 ;
end
else begin
valid_mult_r [ 3 : 0 ] <= {valid_mult_r [ 2 : 0 ] , valid_mult7 } ;
end
end
`ifdef SAFE_DESIGN
//加法运算时，分多个周期进行流水，优化时序
reg [ 28 : 0 ] sum1 ;
reg [ 28 : 0 ] sum2 ;
reg [ 28 : 0 ] yout_t ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
sum1 <= 2 9'd0 ;
sum2 <= 2 9'd0 ;
yout_t <= 2 9'd0 ;
end
else if (valid_mult7 ) begin
sum1 <= mout [ 0 ] + mout [ 1 ] + mout [ 2 ] + mout [ 3 ] ;
sum2 <= mout [ 4 ] + mout [ 5 ] + mout [ 6 ] + mout [ 7 ] ;
yout_t <= sum1 + sum2 ;
end
end
` else
//一步计算累加结果，但是实际中时序非常危险
reg signed [ 28 : 0 ] sum ;
reg signed [ 28 : 0 ] yout_t ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
sum <= 2 9'd0 ;
yout_t <= 2 9'd0 ;
end
else if (valid_mult7 ) begin
sum <= mout [ 0 ] + mout [ 1 ] + mout [ 2 ] + mout [ 3 ] + mout [ 4 ] + mout [ 5 ] + mout [ 6 ] + mout [ 7 ] ;
yout_t <= sum ;
end
end
`endif
assign yout = yout_t ;
assign valid = valid_mult_r [ 0 ] ;
endmodule
>> V201001 : Fs：50Mhz, fstop：1Mhz-6Mhz, order： 15
************************************************************/
`define SAFE_DESIGN
module fir_guide (
input rstn , //复位，低有效
input clk , //工作频率，即采样频率
input 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，低频信号，即250KHz
) ;
//data en delay
reg [ 3 : 0 ] en_r ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
en_r [ 3 : 0 ] <= 'b0 ;
end
else begin
en_r [ 3 : 0 ] <= {en_r [ 2 : 0 ] , en } ;
end
end
//(1) 16 组移位寄存器
reg [ 11 : 0 ] xin_reg [ 15 : 0 ] ;
reg [ 3 : 0 ] i , j ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 15 ; i =i + 1 ) begin
xin_reg [i ] <= 1 2'b0 ;
end
end
else if (en ) begin
xin_reg [ 0 ] <= xin ;
for (j = 0 ; j < 15 ; j =j + 1 ) begin
xin_reg [j + 1 ] <= xin_reg [j ] ; //周期性移位操作
end
end
end
//Only 8 multipliers needed because of the symmetry of FIR filter coefficient
//(2) 系数对称，16个移位寄存器数据进行首位相加
reg [ 12 : 0 ] add_reg [ 7 : 0 ] ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
add_reg [i ] <= 1 3'd0 ;
end
end
else if (en_r [ 0 ] ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
add_reg [i ] <= xin_reg [i ] + xin_reg [ 15 -i ] ;
end
end
end
//(3) 8个乘法器
// 滤波器系数，已经过一定倍数的放大
wire [ 11 : 0 ] coe [ 7 : 0 ] ;
assign coe [ 0 ] = 1 2'd11 ;
assign coe [ 1 ] = 1 2'd31 ;
assign coe [ 2 ] = 1 2'd63 ;
assign coe [ 3 ] = 1 2'd104 ;
assign coe [ 4 ] = 1 2'd152 ;
assign coe [ 5 ] = 1 2'd198 ;
assign coe [ 6 ] = 1 2'd235 ;
assign coe [ 7 ] = 1 2'd255 ;
reg [ 24 : 0 ] mout [ 7 : 0 ] ;
`ifdef SAFE_DESIGN
//流水线式乘法器
wire [ 7 : 0 ] valid_mult ;
genvar k ;
generate
for (k = 0 ; k < 8 ; k =k + 1 ) begin
mult_man # ( 13 , 12 )
u_mult_paral (
.clk (clk ) ,
.rstn (rstn ) ,
.data_rdy (en_r [ 1 ] ) ,
.mult1 (add_reg [k ] ) ,
.mult2 (coe [k ] ) ,
.res_rdy (valid_mult [k ] ) , //所有输出使能完全一致
.res (mout [k ] )
) ;
end
endgenerate
wire valid_mult7 = valid_mult [ 7 ] ;
` else
//如果对时序要求不高，可以直接用乘号
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
mout [i ] <= 2 5'b0 ;
end
end
else if (en_r [ 1 ] ) begin
for (i = 0 ; i < 8 ; i =i + 1 ) begin
mout [i ] <= coe [i ] * add_reg [i ] ;
end
end
end
wire valid_mult7 = en_r [ 2 ] ;
`endif
//(4) 积分累加，8组25bit数据 -> 1组 29bit 数据
//数据有效延时
reg [ 3 : 0 ] valid_mult_r ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
valid_mult_r [ 3 : 0 ] <= 'b0 ;
end
else begin
valid_mult_r [ 3 : 0 ] <= {valid_mult_r [ 2 : 0 ] , valid_mult7 } ;
end
end
`ifdef SAFE_DESIGN
//加法运算时，分多个周期进行流水，优化时序
reg [ 28 : 0 ] sum1 ;
reg [ 28 : 0 ] sum2 ;
reg [ 28 : 0 ] yout_t ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
sum1 <= 2 9'd0 ;
sum2 <= 2 9'd0 ;
yout_t <= 2 9'd0 ;
end
else if (valid_mult7 ) begin
sum1 <= mout [ 0 ] + mout [ 1 ] + mout [ 2 ] + mout [ 3 ] ;
sum2 <= mout [ 4 ] + mout [ 5 ] + mout [ 6 ] + mout [ 7 ] ;
yout_t <= sum1 + sum2 ;
end
end
` else
//一步计算累加结果，但是实际中时序非常危险
reg signed [ 28 : 0 ] sum ;
reg signed [ 28 : 0 ] yout_t ;
always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
sum <= 2 9'd0 ;
yout_t <= 2 9'd0 ;
end
else if (valid_mult7 ) begin
sum <= mout [ 0 ] + mout [ 1 ] + mout [ 2 ] + mout [ 3 ] + mout [ 4 ] + mout [ 5 ] + mout [ 6 ] + mout [ 7 ] ;
yout_t <= sum ;
end
end
`endif
assign yout = yout_t ;
assign valid = valid_mult_r [ 0 ] ;
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。
实例
`timescale
1ps
/
1ps
module test ;
//input
reg clk ;
reg rst_n ;
reg en ;
reg [ 11 : 0 ] xin ;
//output
wire valid ;
wire [ 28 : 0 ] yout ;
parameter SIMU_CYCLE = 6 4'd2000 ; //50MHz 采样频率
parameter SIN_DATA_NUM = 200 ; //仿真周期
//=====================================
// 50MHz clk generating
localparam TCLK_HALF = 10_000 ;
initial begin
clk = 1'b0 ;
forever begin
# TCLK_HALF ;
clk = ~clk ;
end
end
//============================
// reset and finish
initial begin
rst_n = 1'b0 ;
# 30 rst_n = 1'b1 ;
# (TCLK_HALF * 2 * SIMU_CYCLE ) ;
$finish ;
end
//=======================================
// read signal data into register
reg [ 11 : 0 ] stimulus [ 0 : SIN_DATA_NUM - 1 ] ;
integer i ;
initial begin
$readmemh ( "../tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt" , stimulus ) ;
i = 0 ;
en = 0 ;
xin = 0 ;
# 200 ;
forever begin
@ ( negedge clk ) begin
en = 1'b1 ;
xin = stimulus [i ] ;
if (i == SIN_DATA_NUM - 1 ) begin //周期送入数据控制
i = 0 ;
end
else begin
i = i + 1 ;
end
end
end
end
fir_guide u_fir_paral (
.xin (xin ) ,
.clk (clk ) ,
.en (en ) ,
.rstn (rst_n ) ,
.valid (valid ) ,
.yout (yout ) ) ;
endmodule
module test ;
//input
reg clk ;
reg rst_n ;
reg en ;
reg [ 11 : 0 ] xin ;
//output
wire valid ;
wire [ 28 : 0 ] yout ;
parameter SIMU_CYCLE = 6 4'd2000 ; //50MHz 采样频率
parameter SIN_DATA_NUM = 200 ; //仿真周期
//=====================================
// 50MHz clk generating
localparam TCLK_HALF = 10_000 ;
initial begin
clk = 1'b0 ;
forever begin
# TCLK_HALF ;
clk = ~clk ;
end
end
//============================
// reset and finish
initial begin
rst_n = 1'b0 ;
# 30 rst_n = 1'b1 ;
# (TCLK_HALF * 2 * SIMU_CYCLE ) ;
$finish ;
end
//=======================================
// read signal data into register
reg [ 11 : 0 ] stimulus [ 0 : SIN_DATA_NUM - 1 ] ;
integer i ;
initial begin
$readmemh ( "../tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt" , stimulus ) ;
i = 0 ;
en = 0 ;
xin = 0 ;
# 200 ;
forever begin
@ ( negedge clk ) begin
en = 1'b1 ;
xin = stimulus [i ] ;
if (i == SIN_DATA_NUM - 1 ) begin //周期送入数据控制
i = 0 ;
end
else begin
i = i + 1 ;
end
end
end
end
fir_guide u_fir_paral (
.xin (xin ) ,
.clk (clk ) ,
.en (en ) ,
.rstn (rst_n ) ,
.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。而且输出波形是连续的，能够持续输出。
但是，如红圈所示，波形起始部分呈不规则状态，对此进行放大。
波形起始端放大后如下图所示，可见不规则波形的时间段，即两根竖线之间的时间间隔是 16 个时钟周期。
因为数据是串行输入，设计中使用了 16 组延时寄存器，所以滤波后的第一个正常点应该较第一个滤波数据输出时刻延迟 16 个时钟周期。即数据输出有效信号 valid 应该再延迟 16 个时钟周期，则会使输出波形更加完美。
附录：matlab 使用
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。
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。
实例
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 ) ) ;
%=======================================================
% 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 ) ) ;
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