m基于FPGA的多通道FIR滤波器verilog实现,包含testbench测试文件

简介: 本文介绍了使用VIVADO 2019.2仿真的多通道FIR滤波器设计。展示了系统RTL结构图,并简述了FIR滤波器的基本理论,包括单通道和多通道的概念、常见结构及设计方法,如窗函数法、频率采样法、优化算法和机器学习方法。此外,还提供了Verilog核心程序代码,用于实现4通道滤波器模块,包含时钟、复位信号及输入输出接口的定义。

1.算法仿真效果
VIVADO2019.2仿真结果如下:
4264ac1ac35aa12d0d4b9769093e205c_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

系统RTL结构如下:

eec879feb6fcff76868bb5bc85bb9810_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

2.算法涉及理论知识概要
多通道FIR(Finite Impulse Response)滤波器是一种在数字信号处理中广泛应用的线性时不变滤波技术,尤其适用于多通道音频、视频、图像等多维数据的处理。

   单通道FIR滤波器可由其单位脉冲响应(Impulse Response, IR)]h[n] 定义,其长度为L。对于给定的输入序列x[n],其输出y[n] 可由卷积公式给出:

6ad00e1116d3b5093602616d55729b2d_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.png

   多通道FIR滤波器则扩展了这一概念至多维度,处理多个并行的输入通道。每个通道都有独立的FIR滤波器,且各通道间可能存在不同的滤波特性或相互关联的处理机制。

  多通道FIR滤波器常见的结构包括并行结构、级联结构和混合结构。

1620040a5bbf63140cf015da80802a0e_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.png
76b38eb8a553d3aff297d01beea3a5ba_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.png

多通道FIR滤波器的设计通常基于以下方法:

窗函数法:选择合适的窗函数(如矩形窗、汉明窗、海明窗等)与所需频率响应(如低通、高通、带通、带阻等)相结合,生成各通道的滤波器系数。

频率采样法:在数字化的频率轴上直接指定滤波器的幅值响应,再通过逆离散傅里叶变换(IDFT)得到滤波器系数。

优化算法:利用梯度下降、粒子群优化、遗传算法等优化方法,根据特定的性能指标(如最小均方误差、最大信噪比等)迭代求解滤波器系数。

机器学习方法:结合深度学习或传统机器学习算法,基于大量训练数据学习并生成各通道滤波器系数,适用于自适应滤波或复杂非线性滤波任务。

3.Verilog核心程序
````timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2024/03/31 21:32:24
// Design Name:
// Module Name: TEST_4CH
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//

module TEST_4CH();

reg i_clk;
reg i_clk4x;
reg i_rst;
reg signed[1:0]i_din1;
reg signed[1:0]i_din2;
reg signed[1:0]i_din3;
reg signed[1:0]i_din4;
wire signed[15:0]o_dout1;
wire signed[15:0]o_dout2;
wire signed[15:0]o_dout3;
wire signed[15:0]o_dout4;

tops_4ch uut(
.i_clk (i_clk),
.i_clk4x (i_clk4x),
.i_rst (i_rst),
.i_din1 (i_din1),
.i_din2 (i_din2),
.i_din3 (i_din3),
.i_din4 (i_din4),
.o_dout1 (o_dout1),
.o_dout2 (o_dout2),
.o_dout3 (o_dout3),
.o_dout4 (o_dout4)
);

initial
begin
i_clk = 1'b1;
i_clk4x=1'b1;
i_rst=1'b1;

1000

i_rst=1'b0;
end
always #20 i_clk=~i_clk;
always #5 i_clk4x=~i_clk4x;

reg[15:0]cnt;
always @(posedge i_clk or posedge i_rst)
begin
if(i_rst)
begin
cnt <= 16'd0;
end
else begin
cnt <= cnt + 16'd1;
end
end

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)
begin
if(i_rst)
begin
i_din1 <= 2'd0;
i_din2 <= 2'd0;
i_din3 <= 2'd0;
i_din4 <= 2'd0;

  end

else begin
i_din1 <= {cnt[3],1'b1};
i_din2 <= {cnt[4],1'b1};
i_din3 <= {cnt[5],1'b1};
i_din4 <= {cnt[6],1'b1};
end
end

endmodule
```

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