FIR滤波器的设计和仿真
主要参照杜勇老师的《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现》，在这里记录一下，并记录出现的问题
1、先根据系统所需要的FIR滤波器的参数在Matlab中设计出FIR的参数，保存到txt文件内。
程序如下：
%E4_5_LpfDesign.m
%设计一个低通滤波器。采样频率fs=8MHz,过渡带fc=[1MHz 2MHz]；
%绘出滤波器第数量化前后的幅频响应图；将量化后的滤波器系数写入指定的txt文本文件中
function h_pm=LpfDesign
fs=12.5*10^6; %采样频率
qm=12; %滤波器系数量化位数
fc=[2.5*10^6 3*10^6]; %过渡带
mag=[1 0]; %窗函数的理想滤波器幅度
%设置通带容限a1及阻带容限a2
%通带衰减ap=-20*log10(1-a1)=0.915dB,阻带衰减为as=-20*log10(a2)=40dB
a1=0.1;a2=0.01;
dev=[a1 a2];
%采用凯塞窗函数获取满足要求的最小滤波器阶数
%因为凯塞窗具有可调选项，因此可以根据过渡带和波纹参数等计算出凯塞窗的β值和滤波器阶数
%n：阶数 Wn：归一化频带边缘 beta：Kaiser窗beta参数 ftype：滤波器类型用于fir1函数
[n,wn,beta,ftype] = kaiserord(fc,mag,dev,fs)
%采用firpm函数设计最优滤波器
%因为用firpm函数（最优滤波器）和凯塞窗和海明窗滤波器比较，第一旁瓣电平比凯塞窗约低2.5db，且阻带波纹相同，而凯塞窗的阻带波纹却逐渐减少
fpm=[0 fc(1)*2/fs fc(2)*2/fs 1]; %firpm函数的频段向量
magpm=[1 1 0 0]; %firpm函数的幅值向量
h_pm=firpm(n,fpm,magpm); %设计最优滤波器
%量化滤波系数
a=abs(h_pm);
b=max(a);
c=h_pm/b;
q_pm=round(h_pm/max(abs(h_pm))*(2^(qm-1)-1));
%将生成的滤波器系数数据写入FPGA所需的txt文件中
fid=fopen('E:\毕设\4、code\2、FIR\FIR滤波器_YH\MATLAB图例\lpf.txt','w');
for k=1:length(h_pm)
fprintf(fid,'%12.12f\r\n',h_pm);
if(k~=length(h_pm))
fprintf(fid,'\r\n');
end
end
fclose(fid);
%获取量化前后滤波器的幅频响应数据
m_pm=20*log10(abs(fft(h_pm,1024))); m_pm=m_pm-max(m_pm);
q_pm=20*log10(abs(fft(q_pm,1024))); q_pm=q_pm-max(q_pm);
%设置幅频响应的横坐标单位为MHz
x_f=[0:(fs/length(m_pm)):fs/2]/10^6;
%只显示正频率部分的幅频响应
mf_pm=m_pm(1:length(x_f));
mf_qm=q_pm(1:length(x_f));
%绘制幅频响应曲线
plot(x_f,mf_pm,'--',x_f,mf_qm,'-');
xlabel('频率(MHz)');ylabel('幅度(dB)');
legend('未量化','12位量化');
grid;
上边红色部分：需要注意的就是最后一个系数后面不能有回车，否则导入系数文件的时候又会被FIR Complier识别为一个新的系数。
2、产生测试激励信号文件
clear all;clc;
Fs=12500000;%设定采样频率
f1=2500000;%信号频率 2.5MHZ
f2=3100000;%信号频率 3.1MHZ
N=12; %量化位数
%t=0:0.00000008:0.000008; %0.00000008 相当于12.5MHZ采样一点 0.000008显示100点
t=0:1/Fs:0.00016;
s1=5*sin(2*pi*f1*t);
s2=5*sin(2*pi*f2*t);
s3=s1+s2;
s=awgn(s3,15);
%调用ELpfDesign函数设计的滤波器对信号进行滤波
hn=LpfDesign;
Filter_s=filter(hn,1,s);
%求信号的幅频响应 fft(s,1024) 取s中1024个点，如果不足则零补齐，超过截断
m_s=20*log(abs(fft(s,1024)))/log(10); m_s=m_s-max(m_s);
%滤波后的幅频响应
Fm_s=20*log(abs(fft(Filter_s,1024)))/log(10); Fm_s=Fm_s-max(Fm_s);
%滤波器本身的幅频响应
m_hn=20*log(abs(fft(hn,1024)))/log(10); m_hn=m_hn-max(m_hn);
%设置幅频响应的横坐标单位为Hz
x_f=[0:(Fs/length(m_s)):Fs/2];
%只显示正频率部分的幅频响应
mf_s=m_s(1:length(x_f));
Fmf_s=Fm_s(1:length(x_f));
Fm_hn=m_hn(1:length(x_f));
subplot(2,3,1),plot(t,s1);
axis([0 0.000008 -5 5]); %横坐标标度
%xlabel('时间（s）','fontsize',8,'position',[0.000004, -5.2, 0]);
xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('2.5MHZ正弦信号');
grid;
subplot(2,3,2),plot(t,s2);
xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('3MHZ正弦信号');
grid;
subplot(2,3,3),plot(t,s);
xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('2.5MHZ叠加3MHZ叠加噪声的信号');
grid;
%绘制幅频响应曲线
subplot(234)
plot(x_f,mf_s,'-.',x_f,Fmf_s,'-',x_f,Fm_hn,'--');
xlabel('频率(Hz)');ylabel('幅度(dB)');title('Matlab仿真合成单频信号滤波前后的频谱');
legend('输入信号频谱','输出信号频谱','滤波器响应');
grid;
%绘制滤波前后的时域波形
subplot(235)
%绘制时域波形
%设置显示数据范围，设置横坐标单位ms
t=0:1/Fs:80/Fs;t=t*10^6;
t_s=s(1:length(t));
t_filter_s=Filter_s(1:length(t));
plot(t,t_s,'--',t,t_filter_s,'-');
xlabel('时间(ms)');ylabel('幅度');title('FPGA仿真合成单频信号滤波前后的时域波形');
legend('输入信号波形','输出信号波形');
grid;
subplot(236),plot(t,t_filter_s);
xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('滤波后的信号');
grid;
%对仿真产生的合成单频信号进行量化处理
s=s/max(abs(s)); %归一化处理
Q_s=round(s*(2^(N-1)-1));%12比特量化
%将生成的数据以二进制数据格式写入txt文件中
fid=fopen('E:\毕设\4、code\2、FIR\FIR滤波器_YH\MATLAB图例\TestData0.txt','w');
for i=1:length(Q_s)
B_noise=dec2bin(Q_s(i)+(Q_s(i)<0)*2^N,N);
for j=1:N
if B_noise(j)=='1'
tb=1;
else
tb=0;
end
fprintf(fid,'%d',tb);
end
fprintf(fid,'\r\n');
end
fprintf(fid,';');
fclose(fid);
%画图
%subplot(2,2,1),plot(t,s1);
%axis([0 0.000008 -5 5]); %横坐标标度
%xlabel('时间（s）','fontsize',8,'position',[0.000004, -5.2, 0]);
%xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('2.5MHZ正弦信号');
%subplot(2,2,2),plot(t,s2);
%xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('3MHZ正弦信号');
%subplot(2,2,3),plot(t,n);
%xlabel('时间（s）');ylabel('幅度(v)');title('2.5MHZ叠加3MHZ叠加噪声的信号');
3、测试文件
`timescale 1 ns/ 1 ns
module FirIPCore_vlg_tst();
// constants
// general purpose registers
//reg eachvec;
// test vector input registers
reg [11:0] Xin;
reg clk,clk_data;
reg reset_n;
// wires
wire [24:0] Yout;
// assign statements (if any)
FirIPCore i1 (
// port map - connection between master ports and signals/registers
.Xin(Xin),
.Yout(Yout),
.clk(clk),
.reset_n(reset_n)
);
parameter clk_period=20; //设置时钟信号周期（频率）:50MHz
parameter data_clk_period=clk_period*4; //设置数据时钟周期
parameter clk_half_period=clk_period/2;
parameter data_half_period=data_clk_period/2;
parameter data_num=2000; //仿真数据长度
parameter time_sim=data_num*data_clk_period; //仿真时间
initial
begin
//设置输入信号初值
Xin=12'd10;
//设置时钟信号初值
clk=1;
clk_data=1;
//设置复位信号
reset_n=0;
#110 reset_n=1;
//设置仿真时间
#time_sim $finish;
end
//产生时钟信号
always
#clk_half_period clk=~clk;
always
#data_half_period clk_data=~clk_data;
//从外部TX文件(E4_5_TestData.txt)读入数据作为测试激励
integer Pattern;
reg [11:0] stimulus[1:data_num];
initial
begin
//文件必须放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下
$readmemb("E4_5_TestData.txt",stimulus);
Pattern=0;
repeat(data_num)
begin
Pattern=Pattern+1;
Xin=stimulus[Pattern];
#data_clk_period;
end
end
//将仿真数据Yout写入外部TXT文件中(E4_5_FpgaData.txt)
integer file_out;
initial
begin
//文件放置在"工程目录\simulation\modelsim"路径下
file_out = $fopen("E4_5_FpgaData.txt");
if(!file_out)
begin
$display("could not open file!");
$finish;
end
end
wire rst_write;
wire signed [24:0] dout_s;
assign dout_s = Yout; //将Yout转换成有符号数据
assign rst_write = clk_data & (reset_n); //产生写入时钟信号，复位状态时不写入数据
always @(posedge rst_write )
$fdisplay(file_out,"%d",dout_s);
endmodule
4、仿真出现问题:
1、生成IP核的时候提示：
需要对32位软件**。
2、点击Modelsim仿真：
在生成FIR IP核的时候第二步没有点
3、运行Modelsim时，出现 Library auk_dspip_lib not found
查网说是一个bug，如果把IP核放在二级目录里，就会出现这个错误。所以需要把FIR IP核放到工程目录下。
4、运行Modelsim时，出现Module ‘XXX’ is not defined
出现这类错误就是因为在工程文件夹/simulation/modelsim文件夹下面缺少了必要的仿真文件.v（Verilog HDL）。
之前一直是通过vsim -L altera_mf_ver work.fir123_vlg_tst来手动添加alter_mf库，但依然有问题，说明需要别的库。
Verilog HDL语言的仿真库文件为220model.v，sgate.v和altera_mf.v;
VHDL语言的仿真库文件为220pack.vhd、220model.vhd、altera_mf.vhd和altera_mf_components.vhd。
路径为C:\altera\13.0sp1\quartus\eda\sim_lib
把需要的仿真文件复制到当前工程/simulation/modelsim文件夹下面，在modelsim界面点击compile，将生成的.vt文件和加入的.v文件一起编译就可以了，然后点击仿真就不会报错了。