通用FIR滤波器的verilog实现（内有Lowpass、Hilbert参数生成示例）

news2024/10/7 10:16:44

众所周知，Matlab 中的 Filter Designer 可以直接生成 FIR 滤波器的 verilog 代码，可以方便地生成指定阶数、指定滤波器参数的高通、低通、带通滤波器，生成的 verilog 代码也可以指定输入输出信号的类型和位宽。然而其生成的代码实在算不上美观，复用性也很差，要实现不同滤波特性的切换就要生成多个滤波器的代码。

出于以上考虑，自己设计实现了 FIR 滤波器的通用 verilog 代码，其滤波器参数通过接口输入，从而可以通过输入不同的参数获得相应的滤波结果。verilog 代码如下：

/* 
 * file         : FIR_filter.v
 * author       : 今朝无言
 * date		    : 2023-07-03
 * version      : v1.0
 * description  : FIR 滤波器
 */
module FIR_filter(
input							clk,
input							rst_n,

input				[16*N-1:0]	filter_params,

input		signed	[15:0]		data_in,
output	reg	signed	[15:0]		data_out
);

parameter	N		= 32;	//滤波器参数个数
parameter	div_N	= 16;	//sum结果除 2^div_N，作为 filter 的输出

//FIR 滤波器参数
reg	signed	[15:0] b[0:N-1];

integer	m;
always @(*) begin
	for(m=0; m<N; m=m+1) begin
		b[m]	<= filter_params[(m << 4) +: 16];
	end
end

reg	signed	[15:0]	shift_reg[0:N-1];

integer	i;
always @(posedge clk) begin
	if(~rst_n) begin
		for(i=N-1; i>=0; i=i-1) begin
			shift_reg[i]	<= 16'd0;
		end
	end
	else begin
		for(i=N-1; i>0; i=i-1) begin
			shift_reg[i]	<= shift_reg[i-1];
		end
		shift_reg[0]		<= data_in;
	end
end

reg		signed	[31:0]	multi[0:N-1];

integer	j;
always @(*) begin
	for(j=0; j<N; j=j+1) begin
		multi[j]	<= shift_reg[j] * b[j];
		//这里可以考虑使用multiplier IP核，使用LUT搭建（而这里直接乘使用的是DSP资源，一般的FPGA芯片只有几百个）
	end
end

reg		signed	[47:0]	sum;

integer	k;
always @(*) begin
	sum		= 0;
	for(k=0; k<N; k=k+1) begin
		sum	= sum + multi[k];
	end
end

always @(posedge clk) begin
	data_out	<= sum[47-div_N : 32-div_N];
end

endmodule

Lowpass Filter示例

当滤波器阶数较高时，滤波器参数如何给出无疑是个麻烦事，因此又编写了 matlab 代码，可以一键生成所需的 .v 文件以实现参数的配置：

%-----------FIR滤波器参数（生成.v）-----------------
clc,clear,close all

fs=1e6;

N=20;
Wn=0.1;
b = fir1(N, Wn); % 默认Hamming窗

freqz(b,1,512)

%% pramas
B=floor(b*65536);
B=B';

%% test
t=0:1/fs:1e-3;
s=(mod(t,1e-4)<5e-5)*1.0;

%s_filt=filter(B,1,s)/65536;
for i=1:size(s,2)-N-1
    s_filt(i)=s(i:i+N)*double(B)/65536;
end

figure
subplot(2,1,1)
plot(t,s)
subplot(2,1,2)
plot(t(1:end-N-1),s_filt)

%% 生成.v
filename='FIR_params';
fid=fopen(['./v/',filename,'.v'],'w');

fprintf(fid,['/* ','\n',...
' * file\t\t\t: ',filename,'.v','\n',...
' * author\t\t: 今朝无言','\n',...
' * date\t\t\t: 2023-07-04','\n',...
' * version\t\t: v1.0','\n',...
' * description\t: FIR 滤波器','\n',...
' */','\n']);

fprintf(fid,['module ',filename,'(','\n',...
'output\t[',num2str(size(B,1)*16-1),':0]\tparams\n',...
');\n\n']);

for i=1:size(B,1)
    if(B(i)>=0)
        hex=dec2hex(B(i),4);
    else
        hex=dec2hex(65536+B(i),4);
    end
    fprintf(fid,['assign\t','params[',...
        num2str(i*16-1),':',num2str((i-1)*16),...
        ']\t= 16','''','h',hex,';\n']);
end

fprintf(fid,'\nendmodule\n');

fclose(fid);

testbench与测试结果如下

`timescale 1ns/100ps

module FIR_filter_tb();

reg		clk_100M	= 1'b1;
always #5 begin
	clk_100M	<= ~clk_100M;
end

localparam	N = 20;	//FIR滤波器阶数

wire	[16*(N+1)-1:0]	filter_params;
FIR_params_0d1 FIR_params_inst(
	.params		(filter_params)
);

reg				[15:0]	data_in;
wire	signed	[15:0]	data_out;

FIR_filter #(.N(N+1))
FIR_filter_inst2(
	.clk			(clk_100M),
	.filter_params	(filter_params),		//滤波器参数

	.data_in		(data_in),
	.data_out		(data_out)
);

reg		[7:0]	cnt		= 8'd0;

always @(posedge clk_100M) begin
	cnt		<= cnt + 1'b1;

	if(cnt<100)	begin
		data_in		<= -10000;
	end
	else if(cnt<200)	begin
		data_in		<= 10000;
	end
	else begin
		data_in		<= 0;
	end
end

initial begin
	#10000;
	$stop;
end

endmodule

在这里插入图片描述

Hilbert 示例

使用以上 FIR 滤波器代码，还可以实现许多其他滤波功能，比如常用的 90 度相移，可以使用 Hilbert 变换实现，Hilbert 滤波器参数的 matlab 生成代码如下

%-----------------Hilbert----------------------
clc,clear,close all

%% Hilbert
N=200;

% method 1		这种直接通过 h(n) 表达式生成的更为精确，推荐
n=(1:floor((N-1)/2));
b1=(1-(-1).^n)./(pi.*n);
if mod(N,2)==0
    b1=[0,b1,0,-b1(end:-1:1)]';
else
    b1=[0,b1,-b1(end:-1:1)]';
end

% method 2		构造 Hilbert 的频域特性，经 IFFT 获得
H=[-1j*ones(1,floor((N+1)/2)),1j*ones(1,floor(N/2))];
b2=ifft(H);
b2=real(b2)';

b=b1;

freqz(b,1,100)

%% Filter
fs=1e3;
t=0:1/fs:1;
s=5*sin(2*pi*10*t);
% f >= fs/N 时，可以由很好的90度移相

s2=filter(b,1,s);

figure
hold on
plot(t,s,'r-')
plot(t,s2,'b--')
hold off

%% 量化
B=floor(b*32768);
s3=filter(B,1,s)/32768;

figure
hold on
plot(t,s,'r-')
plot(t,s3,'b--')
hold off

%% 生成params.v
filename='Hilbert_params';
fid=fopen(['./v/',filename,'.v'],'w');

fprintf(fid,['/* ','\n',...
' * file\t\t\t: ',filename,'.v','\n',...
' * author\t\t: 今朝无言','\n',...
' * date\t\t\t: 2023-08-04','\n',...
' * version\t\t: v1.0','\n',...
' * description\t: FIR滤波器参数（Hilbert）',...
'   N=',num2str(N),'\n',...
' */','\n']);

fprintf(fid,['module ',filename,'(','\n',...
'output\t[',num2str(size(B,1)*16-1),':0]\tparams\n',...
');\n\n']);

for i=1:size(B,1)
    if(B(i)>=0)
        hex=dec2hex(B(i),4);
    else
        hex=dec2hex(65536+B(i),4);
    end
    fprintf(fid,['assign\t','params[',...
        num2str(i*16-1),':',num2str((i-1)*16),...
        ']\t= 16','''','h',hex,';\n']);
end

fprintf(fid,'\nendmodule\n');

fclose(fid);