该篇是FPGA数字信号处理的第四篇，选题为DSP系统中极其常用的FIR滤波器。本文将在前两篇的基础上，继续介绍在Quartus开发环境下使用Altera（或者叫Intel）提供的FIR IP核进行FIR滤波器的设计。

1.“FPGA数字信号处理（二）并行FIR滤波器Verilog设计” https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80594627
2.“FPGA数字信号处理（三）串行FIR滤波器Verilog设计” https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80598992

IP核概述

由于版本的关系，Quartus提供的IP核有两种，一种是集成在“MegaWizard Plug-In Manager”中：
这里写图片描述
一种是集成在“IP Catalog”和qsys中：

两种Quartus版本下的IP核，从使用者的角度来看仅仅是配置界面不同，在参数设置和使用方法上基本一致。本文以“MegaWizard Plug-In Manager”中的FIR Compiler IP核使用为例。
Quartus的FIR IP核属于收费IP，如果是个人学习使用需要对IP核单独破解。在Quartus的破解licence文件中找到下段代码，在licence最后复制粘贴一份，将“FEATURE 6AF7_XXXX”中的XXXX改成FIR IP核对应的编号“0012”。保存后重新打开Quartus，在License Setup页面看到FIR Compiler的破解信息，则可以正常使用。

FEATURE 6AF7_XXXX alterad 2035.12 permanent uncounted E75BE809707E \
    VENDOR_STRING="iiiiiiiihdLkhIIIIIIIIUPDuiaaaaaaaa11X38DDDDDDDDpjz5cddddddddtmGzGJJJJJJJJbqIh0uuuuuuuugYYWiVVVVVVVVbp0FVHHHHHHHHBUEakffffffffD2FFRkkkkkkkkWL$84" \
    HOSTID=b025aa21c82f TS_OK SIGN="1E27 C980 33CD 38BC 5532 368B \
    116D C1F8 34E0 5436 99A0 5A2E 1C8C 8DD0 C9C6 011B A5A9 932B \
    08DE C5ED 9E62 2868 5A32 6397 D9B8 5C3A B8E8 4E4F CEC7 C836"

这里写图片描述

IP核参数设置

像MATLAB一样，FIR Compiler也提供了设计FIR滤波器和生成滤波器系数的功能，点击“New Coffcient Set”，界面如下：
这里写图片描述
不过这个滤波器设计功能没有MATLAB的FDATOOL那么强大，也可以用MATLAB生成滤波器系数，存入txt文件中，在上面界面的“Imported Coefficient Set”中导入txt文件。

FIR Compiler IP核可以在主界面的structure中选择滤波器的四种结构，包括三种分布式算法结构：全并行、全串行和多比特串行，另外一种固定/可变系数的多时钟周期结构。如果设计时不需要改变滤波器系数，则选择四种结构的一种；如果需要在设计中重载滤波器系数，则必须选择最后一种结构。

“coefficients scaling”中可以选择滤波器系数的量化方式，“Bit width”中选择量化位宽，上面的图中可以看到滤波器的频率响应。

“Output Sepecification”中可以设置滤波器的输出方式和位宽，IP核会根据输入的数据位宽和其它参数设置自动计算输出数据的位宽。

IP核支持多通道数据输入，可以在“Number of Inpu Channels”中设置输入数据的通道数。另外设置FPGA型号、数据存储方式、系数存储方式、流水线级数、输入数据位宽等常规参数。
这里写图片描述
设置完成后可以生成IP核。老版本的IP核会自动加入到工程中；新版本的IP核集成在qsys中，需要手动在file中将IP核对应的qip文件加入工程。

IP核接口说明

Quartus的很多IP核采用的是Avalon-ST接口，主要有数据（data）、准备好（ready）、有效（valid）和错误（error）几种信号。Avalon-ST接口本身也支持时分复用来完成多通道同步（channel），因此FIR Compiler支持多通道数据数据。

FIR Compiler支持重载滤波器系数，但系数重载的相关端口（coed_set、coed_in_clk、coed_set_in、coed_in、coed_we、coed_ld）不被Avalon-ST接口支持，不属于该类型接口。

接下来介绍几个主要的接口：

这里写图片描述

在设置为多通道、可变系数模式时，还会用到其它的接口。上表中的接口已经足够完成一次单通道、固定系数的FIR滤波器设计。其它接口在后文的设计中使用到FIR滤波器的其它模式时，再做介绍。

FPGA设计

IP核的接口在Verilog HDL中进行设计时，一定要参考官方文档中给出的时序图。在IP核的配置界面点击“documentation”，可以找到IP核的data sheet、user guide和release notes。

这里写图片描述

FIR IP核的相关文档如上图所示。注意，在altera卖身给intel后，官网进行了大改，目前老版本的quartus中的IP核点击“documentation”时已经成了error，即官网已经没有了相关文档。
单通道、固定系数的FIR Compiler接口时序非常简单，Verilog HDL示例代码如下所示：

module FirIPDa 
(
    input reset_n,              //复位信号，低电平有效
    input clk,                  //FPGA系统时钟/数据速率：2kHz
    input signed [11:0] Xin,    //数据输入频率为2kHZ
    output signed [24:0] Yout   //滤波后的输出数据
);

wire source_valid, sink_ready;
wire [1:0] source_error;
wire sink_valid = 1'b1;

fir_par fir_inst
(
    .clk                (clk),             //输入，时钟信号
    .reset_n            (reset_n),         //输入，低电平有效复位
    .ast_sink_data      (Xin),             //输入，采样输入数据
    .ast_sink_valid     (sink_valid),      //输入，置1时向FIR滤波器输入数据
    .ast_source_ready   (1'b1),            //输入，源准备好
    .ast_sink_error     (2'd0),            //输入，标识信宿端出现的错误
    .ast_source_data    (Yout),            //输出，滤波器输出，位宽与设计的滤波器参数有关
    .ast_sink_ready     (sink_ready),      //输出，
    .ast_source_valid   (source_valid),    //输出，FIR输出数据有效时该信号置位
    .ast_source_error   (source_error)     //输出，标识信源端出现的错误
);

endmodule

程序中认为输入的采样数据始终有效，因此将sink_valid永远置1。另外将source_ready永远置1，且忽视sink_ready信号，可以获得最高的FIR计算时钟速率。

使用MATLAB生成一个200khz+800kHz的混合频率信号，写入txt文件，。编写Testbench读取txt文件对信号滤波，文件操作方法参考“Testbench编写指南（一）文件的读写操作”https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80470972。

使用Quartus调用ModelSim进行仿真，对正弦信号的滤波如下图所示：
这里写图片描述
明显看到经过500Hz低通滤波器滤波后，输入的200+800Hz信号只剩下200Hz的单频信号。
完整的Quartus工程（含testbench仿真）可以在这里下载：https://download.csdn.net/download/fpgadesigner/10464189。

FPGA数字信号处理（四）Quartus FIR IP核实现

IP核概述

IP核参数设置

IP核接口说明

FPGA设计

猜你喜欢