VIVADO IP核之FIR插值器多相滤波仿真（含有与MATLAB仿真数据的对比）

目录

前言

一、滤波器系数生成

二、用MATLAB生成仿真数据

三、VIVADO FIR插值多相滤波器使用

四、VIVADO FIR插值多相滤波器仿真

五、VIVADO工程下载

总结

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前言

         网络上有许多文章介绍FIR低通滤波器的使用，包括仿真。关于FIR低通滤波器的使用，我之前的文章已经介绍过了，本文将继续深入介绍FIR插值器多相滤波的使用方法，并将FIR插值多相滤波的结果与MATLAB仿真计算的结果比较，验证了FIR插值器多相滤波使用正确。

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提示：以下是本篇文章正文内容，欢迎各位阅读，转载请附上链接。

一、滤波器系数生成

        仿真假设有一个幅值为1，频率为5MHz，初相为0的正弦波，用30MHz的采样率对其进行采样，那么可以得到一个信号速率为30MSPS，频率为5MHz的正弦波，接下来我们分别用MATLAB和FIR ip核对其进行2插值多相滤波，那么便可以得到一个信号速率为60MSPS，频率为5MHz的正弦波。

        滤波器设计如下，插值之后速率为60M，所以这里滤波器的采样频率是60MHz，而不是30MHz。设计的滤波器为49阶，那么有50个系数，便于2插值多相滤波。

        关于滤波器系数的量化成16bit以及生成coe文件可以参考我的另外一篇博客VIVADO IP核之FIR低通滤波仿真（含滤波器群延时仿真）_vivado fir滤波器-CSDN博客，里面有详细的介绍，本文就不再赘述。

二、用MATLAB生成仿真数据

        运行以下代码即可生成vivado仿真所需要的仿真数据data_interpolation_real.txt。

rng default;
clc; 
clear;
close all;

fs =  30e6;     % 采样频率 30MHz
K = 1024;       % 快拍个数
t = 0:1/fs:(K-1)/fs;
f = 5e6;
x = cos(2*pi*f*t);

figure(1);
plot(x(1:30));
grid on;

I=2;
x_up=zeros(1,length(x)*I-I+1);
x_up(1:I:end)=x;

lowpass_Fs_up=30000000*I;    % 低通滤波器的采样频率
lowpass_Fpass_up=10000000;   % 低通滤波器的通带截止频率
lowpass_Fstop_up=14000000;   % 低通滤波器的阻带起始频率
% 下一行的lowpass是用fdatool设计的滤波器保存为matlab code自己修改了一下
[lowpass_b_up,~] = tf(lowpass_1(lowpass_Fs_up,lowpass_Fpass_up,lowpass_Fstop_up));% 得到滤波器系数

x_up_LPF=conv(x_up,lowpass_b_up);
figure(2);
plot(x_up_LPF(1:30*I));
grid on;

h = fopen('data_interpolation_real.txt','w');
for i=1:length(x)
    result= fi(x(i), 1, 16, 9).bin;
    fprintf(h,'%s\n',result);
end
fclose(h);

function Hd = lowpass_1(lowpass_Fs,lowpass_Fpass,lowpass_Fstop)
%LOWPASS_1 返回离散时间滤波器对象。

% MATLAB Code
% Generated by MATLAB(R) 23.2 and Signal Processing Toolbox 23.2.
% Generated on: 12-Sep-2024 16:14:34

% Equiripple Lowpass filter designed using the FIRPM function.

% All frequency values are in Hz.
Fs = lowpass_Fs;  % Sampling Frequency

Fpass = lowpass_Fpass;   % Passband Frequency
Fstop = lowpass_Fstop;   % Stopband Frequency
% Dpass = 0.057501127785;  % Passband Ripple 1dB
% Dpass = 0.028774368332;  % Passband Ripple 0.5dB
Dpass = 0.0063320243772;  % Passband Ripple 0.11dB
% Dpass = 0.0057563991496; % Passband Ripple 0.1dB
Dstop = 0.0001;          % Stopband Attenuation 80dB
% Dstop = 0.0031622776602;  % Stopband Attenuation 50dB
dens  = 20;              % Density Factor

% Calculate the order from the parameters using FIRPMORD.
[N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fpass, Fstop]/(Fs/2), [1 0], [Dpass, Dstop]);

% Calculate the coefficients using the FIRPM function.
b  = firpm(N, Fo, Ao, W, {dens});
Hd = dfilt.dffir(b);

% [EOF]

MATLAB原始信号如下图所示：

2插值低通滤波后的信号为（可见FIR滤波器有群延时）：

三、VIVADO FIR插值多相滤波器使用

在vivado中搜索FIR滤波器IP核并点进去设置它。滤波器命名为FIIR_polyphase_interpolation_LPF（多打了一个I，自己可以去掉），导入第一步MATLAB生成的滤波器系数文件。Filter type 选择插值，插值因子设置为2。

 输入信号采样速率设置为30MHz，时钟频率设置为60MHz，这样插值前每个输入持续两个时钟周期，2插值后就变成了每个时钟出一个数据。

 滤波器系数设置为16位有符号数，输入数据也为16位有符号数，输入数据的小数位数设置为9，这是因为第二步中MATLAB量化的输入数据含有9位小数。然后点击左边的Freq.Response就能看见滤波器的幅度响应。

插值时调用FIR 插值滤波比我们自己给数据插0后再调用FIR低通滤波更节约资源。 

四、VIVADO FIR插值多相滤波器仿真

 在工程中建立一个名为FIR_polyphase_interpolation_LPF_test的tb.v文件。其中$readmemb("data_interpolation_real.txt", signal_real)用于从文本中读取二进制数据赋值给signal_real。

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: cq university
// Engineer: clg
// 
// Create Date: 2024/09/12 21:05:57
// Design Name: 
// Module Name: FIIR_polyphase_interpolation_LPF_test
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 2018.3
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//

module FIR_polyphase_interpolation_LPF_test();

reg clk=1;
parameter PERIOD=2;
initial
begin
    forever #(PERIOD/2)  clk=~clk;
end
 
reg s_axis_data_tvalid=0;
wire s_axis_data_tready;
reg [15:0] s_axis_data_tdata_real=0;
wire m_axis_data_tvalid;
wire [31:0] m_axis_data_tdata_real;
reg [15:0] s_axis_data_tdata_imag=0;
wire [31:0] m_axis_data_tdata_imag;

integer i=0;
reg [15:0] signal_real[1023:0];
reg [15:0] signal_imag[1023:0];

reg clk_divide2=1;
always @(posedge clk)
begin
    clk_divide2=!clk_divide2;
end
 
initial
begin
    $readmemb("data_interpolation_real.txt", signal_real);//读入采样数据
    $readmemb("data_interpolation_imag.txt", signal_imag);//读入采样数据
    #(PERIOD*5)
    forever 
    begin
        @(posedge clk) 
        begin
            if(i<1024&&clk_divide2==1) 
                begin
                    s_axis_data_tvalid<=1;
                    s_axis_data_tdata_real <= signal_real[i];
                    s_axis_data_tdata_imag <= signal_imag[i];
                    i <= i + 1;
                end
            else
                begin
                    s_axis_data_tvalid<=0;
                    s_axis_data_tdata_real <= s_axis_data_tdata_real;
                    s_axis_data_tdata_imag <= s_axis_data_tdata_imag;
                end
        end
    end 
end

integer dout_file_real;
integer dout_file_imag;
initial 
begin
    dout_file_real=$fopen("E:/play_vivado/FIR_polyphase_interpolation_test/Readme/m_axis_data_tdata_real.txt"); //打开所创建的文件,修改为自己想存储的位置
    dout_file_imag=$fopen("E:/play_vivado/FIR_polyphase_interpolation_test/Readme/m_axis_data_tdata_imag.txt"); //打开所创建的文件,修改为自己想存储的位置
    if(dout_file_real == 0 || dout_file_imag == 0)
    begin 
        $display ("can not open the file!"); //创建文件失败，显示can not open the file!
        $stop;
    end
end

initial
begin
    #(PERIOD*33)
    forever
    begin
        @(posedge clk) 
        begin
            $fdisplay(dout_file_real,"%d",$signed(m_axis_data_tdata_real)); //保存有符号数据
            $fdisplay(dout_file_imag,"%d",$signed(m_axis_data_tdata_imag)); //保存有符号数据
        end
    end
end

FIIR_polyphase_interpolation_LPF u_FIIR_polyphase_interpolation_LPF_real (
  .aclk(clk),                              // input wire aclk
  .s_axis_data_tvalid(s_axis_data_tvalid),  // input wire s_axis_data_tvalid
  .s_axis_data_tready(s_axis_data_tready),  // output wire s_axis_data_tready
  .s_axis_data_tdata(s_axis_data_tdata_real),    // input wire [15 : 0] s_axis_data_tdata
  .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),  // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_real)    // output wire [31 : 0] m_axis_data_tdata
);

FIIR_polyphase_interpolation_LPF u_FIIR_polyphase_interpolation_LPF_imag (
  .aclk(clk),                              // input wire aclk
  .s_axis_data_tvalid(s_axis_data_tvalid),  // input wire s_axis_data_tvalid
  .s_axis_data_tready( ),  // output wire s_axis_data_tready
  .s_axis_data_tdata(s_axis_data_tdata_imag),    // input wire [15 : 0] s_axis_data_tdata
  .m_axis_data_tvalid( ),  // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_imag)    // output wire [31 : 0] m_axis_data_tdata
);

endmodule

然后点击run simulation。将s_axis_data_tdata_real的数据格式设置为定点有符号数，小数位数为9位。将m_axis_data_tdata_real的数据格式设置为定点有符号数，小数位数为25位。然后就能看见输入的数据依次为1,0.5,-0.5...，和MATLAB生成的信号数据是对的上的。滤波后的数据依次为-0.000396,0.001586,...，和MATLAB滤波后的信号数据也是对的上的。

将输入输出设置为波形显示如下：

 分析下图，可知输入原本一个周期的正弦波只有6个点，但经过2插值后一个周期输出便有了12个点。

五、VIVADO工程下载

https://download.csdn.net/download/m0_66360845/89774826https://download.csdn.net/download/m0_66360845/89774826

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总结

         本文讲解了VIVADO中FIR插值多相滤波器IP核的使用，通过仿真，与MATLAB计算的数据相比较，验证了VIVADO中FIR插值多相滤波器本身是没有考虑滤波器的群延时的，以上的仿真结果很好的说明了如何使用VIIVADO FIR插值多相滤波器。