matlab与FPGA无线通信、FPGA数字信号处理系列(4)—— Vivado DDS 与 FIR IP核设计 FIR 数字滤波器系统

本讲使用两个DDS产生待滤波的信号和 matlab 产生带滤波信号,结合FIR滤波器搭建一个信号产生及滤波的系统,并编写 testbench 进行仿真分析,下一讲 开始编写 verilog 代码设计FIR滤波器,不再调用IP核。

本讲很多地方需要借助上一讲 Matlab 与 Vivado 联合仿真 FIR 滤波器

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系统框图如图所示:
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1. 添加DDS的IP核

(1)新建一个原理图文件,添加 DDS 的 IP。
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(2)DDS配置1
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2处:系统时钟,设为 32 MHz;

4处:通过控制杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)的数值,可以调整正弦和余弦输出数据的数据位宽,这里设置为90,则正余弦输出为15位。

选择 6 处的 Noise Shaping 为 None 时,输出的正弦波数据的位宽为 90/6 向上取整,即位宽为 15-bit,此处的 m_axis_data_tdata 符合 AXIS 总线协议,位宽必须是 8 的倍数,所以是 16 位([15:0])。

5处:频率分辨率,可以调整相位数据的位宽,设置为1000,32MHz/(1*1000)=32000,以2为底取对数得到大约为14.8,向上取整为15-bit。
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(3)DDS配置-2
1/2两处选择 Fixed 固定值,表示输出频率和初始相位都不变,3处输出正弦波,总体配置为频率和初相都不变的正弦波;
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(4)DDS配置-3
配置输出信号的频率为 0.5 MHz,结合前面的配置输出 0.5 MHz 的固定的正弦波,其他保持默认;
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总结如下,可以看到位宽符合前文的计算。
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2. 使用IP核搭建滤波系统

(1)按照前文的方式生成两个 DDS,一个频率为 0.5 MHz,一个为 5 MHz;
(2)按照第二讲的方式生成1个FIR低通滤波器;
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(3)添加加法器Adder/Subtracter;
1处点开可以更改输入位宽,此处因为要将前面DDS输出的AXIS总线上的数据作为输入,是16位位宽(其中只有低15位是有效的DDS数据),所以此处设置加法器输入16位(与AXIS的数据一致,不然位宽不匹配);
2处可以选择是加法还是减法;
3处配置输出位宽16位,输入的两个数据都是16位的,但是都只有低15位是有效数据,两个15位的数据相加,输出用16位表示可以保证不溢出;
4处配置延时,也是插入的流水线,当为1时表示插入1级流水线,输出的和会有1个时钟的延迟,此处不需要流水线,配置为0,此时输入就不会再有时钟;
此外,在第二页的Control页将Clock Enable勾掉,不需要做使能;
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(4)调用常数ip核 Constant,配置输出位宽为1,输出数据为1,整体连接图如下图,三个IP时钟一样,0.5 MHz 正弦波与 5 MHz 正弦波相加,得到的待滤波信号输入到 FIR 滤波器的输入数据端,常数 1 输给 s_axis_data_tvalid,表示输入数据恒有效;
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3. 例化系统

(1)对原理图文件按照第二讲的方法 Generate Output Products 和 Create HDL Wrapper,并将 design_2_wrapper 设置为顶层文件(Set as Top);
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(2)打开 design_2_wrapper.v,可以看到如下引脚:

output [39:0]M_AXIS_DATA_0_tdata;		//滤波器输出的滤波后的信号
output M_AXIS_DATA_0_tvalid;			//滤波器输出信号有效指示信号,为1时表示输出的数据有效
output [15:0]M_AXIS_PHASE_0_tdata;		//0.5 MHz的DDS的相位数据
output M_AXIS_PHASE_0_tvalid;			//0.5 MHz的DDS的相位数据有效指示信号
output [15:0]M_AXIS_PHASE_1_tdata;		//5 MHz  的DDS的相位数据
output M_AXIS_PHASE_1_tvalid;			//5 MHz  的DDS的相位数据有效指示信号
input aclk_0;							//输入时钟,32MHz		
output m_axis_data_tvalid_0;			//0.5 MHz的DDS正弦波数据有效指示信号
output m_axis_data_tvalid_1;			//5 MHz  的DDS正弦波数据有效指示信号

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(3)新建仿真文件testbench
具体步骤参考上一讲Matlab 与 Vivado 联合仿真 FIR 滤波器
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(4)编写testbench,例化 design_2_wrapper 模块;
具体参考上一讲Matlab 与 Vivado 联合仿真 FIR 滤波器
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(5)给定时钟信号;
     使用 initial 块和 always 块设定时钟为 32 MHz(大约),具体见 上一讲Matlab 与 Vivado 联合仿真 FIR 滤波器
     此处只有一个输入是时钟,不需要再配置其他输入信号;
此外,需要将新的仿真文件 fir_dds_tb 设为顶层文件(Set as Top),这样仿真时才能对新建的文件进行仿真;
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4. 仿真分析

(1)点击仿真,可以看到滤波器输出一个 0.5 MHz 的正弦波,滤波效果很好;
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(2)观察内部其他信号的波形
     首先,复位整个仿真,输入tcl 命令 restart

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输入 tcl命令 log_wave -r /*,注意空格,-r前后都有一个空格;
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     找到下图中对应的模块,比如DDS模块的正弦波输出数据目前看不到,没有相应的引脚引出,找到DDS模块,对2箭头所指的信号 m_axis_data_tdata 右键,把信号添加到波形窗口 Add to Wave Window,

     添加两个 DDS 的信号和加法器的输出信号,如下图,1处是滤波器的输出信号,2处是 0.5 MHz 的正弦波输出信号,3处是 5 MHz 的正弦波信号,4处事加法器输出的两个正弦波的叠加信号;
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下一讲使用verilog 编写 FIR 串行滤波器,并编写 testbench 进行仿真分析。

下下一讲使用verilog 编写 FIR 并行滤波器,并编写 testbench 进行仿真分析。

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