该篇是FPGA数字信号处理的第五篇，选题为DSP系统中极其常用的FIR滤波器。本文将在前三篇的基础上，继续介绍在Vivado开发环境下使用Xilinx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
3.“FPGA数字信号处理（四）Quartus FIR IP核实现” https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80605869

IP核概述

Xilinx公司在7系列FPGA开始开发环境从ISE更换为了Vivado。两种开发环境下的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Vivado中的FIR Compiler IP核使用为例。
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Xilinx的FIR IP核属于收费IP，但是不需要像 Quartus那样通过修改license文件来破解。如果是个人学习，现在网络上流传的license破解文件在破解Vivado的同时也破解了绝大多数可以破解的IP核。只要在IP Catalog界面中FIR Compiler中的License状态为“Included”即可正常使用。

另外说一下ISE的问题，目前Xilinx提供的ISE版本有老的ISE 14.7和ISE for windows10版本。后面这个版本是针对老的ISE在Win10系统中运行有太多的bug，专门发行的，但是目前只支持spartan-6系列，不清楚未来会不会支持更多老系列的FPGA。如果需要使用ISE 14.7，还是强烈建议在win7系统中使用，否则在使用和设计FIR IP核时，会有许多难以解决的问题。

IP核参数设置

和Quartus不一样，Vivado的FIR Compiler没有提供设计FIR滤波器和生成滤波器系数的功能，因此需要使用MATLAB等其它工具设计好滤波器再将系数导入到IP核中。MATLAB的FDATOOL工具在设计好滤波器后，可以直接生成IP核需要的coe文件，如下图所示：
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在IP Catalog中打开FIR Compiler，主界面如下：

左边的Tab可以切换看到FIR的模块图（管脚信息）、频率响应等信息。右边的Tab是对FIR滤波器进行设计。

IP核支持两种FIR系数输入方式，以“Vector”的形式直接写入；或者以“COE File”的形式导入coe文件。Xilinx的FIR IP核支持多种滤波器结构，可以在“Filter Type”中设置，本文选择传统的“Single Rate”结构。该IP核同样也支持系数重载。
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IP核支持多通道数据输入，可以在Channel Specification这个Tab中设置输入数据的通道数。还可以在Hardware Oversampling Specification中设置过采样模式，即输入数据的频率可以高出FIR系统时钟的频率。

Implementation这个Tab中可以设置FIR系数的类型、量化方式、量化位宽和结构。本文由于是设计线性相位FIR，滤波器系数是对称的，因此选择为“Symmetric”，也可以选择为“Inferred”，软件会自动判断系数的结构。

Detailed Implementation这个Tab中可以设置优化方式、存储的类型、是否使用DSP单元等与综合、实现有关的信息。Interface这个Tab中可以设置与IP核接口相关的信息。

IP核接口说明

Vivado的很多IP核采用的是AXI4接口，主要有数据（tdata）、准备好（tready）、有效（tvalid）几种信号，还有主机（m）和从机（s）之分。另外在Interface这个Tab还可以配置使用更多辅助的AXI4接口信号。
接下来介绍几个主要的接口：
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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。

需要注意，同DDS Compiler一样（https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80512067），AXI4接口的tdata位宽是以字节为单位，即只会是8的倍数，因此需要结合设计的实际位宽做相应处理。

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user guide。也可以在Xilinx官网或DocNav工具中搜索pg149，查阅FIR Compiler的说明。

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：

`timescale 1ns / 1ps

module Xilinx_FIRIP_liuqi
(
    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 m_tvalid,            //FIR输出数据有效信号
    output signed [24:0] Yout   //滤波后的输出数据
);

wire s_tready;
wire signed [31:0] m_tdata;

fir fir_lowpass_500kHz
(
        .aclk                 (clk),
        .s_axis_data_tvalid   (1'b1),
        .s_axis_data_tready   (s_tready),
        .s_axis_data_tdata    ({Xin[11],Xin[11],Xin[11],Xin[11],Xin}),
        .m_axis_data_tvalid   (m_tvalid),
        .m_axis_data_tdata    (m_tdata)
);

assign Yout =  m_tdata[24:0];

endmodule

程序中认为输入的采样数据始终有效，因此将s_axis_data_tvalid永远置1。由于s_axis_data_tdata为16bit位宽，但输入信号数据为12bit位宽，因此用拼接运算符{}在高位填充补码的符号位；由于m_axis_data_tdata为32bit位宽，但输出信号数据有效位仅有25bit位宽，因此仅需取低25bit作为FIR滤波器输出。当然不这么操作，直接将信号赋值到实例化接口，结果也是正确的，这样做只是为了更严谨。

仿真与工程下载

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。
在Vivado中进行仿真，对正弦信号的滤波如下图所示：
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新建一个虚拟总线，仅保留一个符号位。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。且当FIR滤波器输出有效时，m_tvalid信号置高。
完整的Vivado工程（含testbench仿真）可以在这里下载：https://download.csdn.net/download/fpgadesigner/10466659。

FPGA数字信号处理（五）Vivado FIR IP核实现

IP核概述

IP核参数设置

IP核接口说明

FPGA设计

仿真与工程下载

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