В этом примере показано, как создать код HDL из конструкции MATLAB ®, реализующей фильтр LMS. В этом примере также показано, как сконструировать испытательный стенд, который подавляет шумовой сигнал с помощью этого фильтра.
Конструкция MATLAB, используемая в примере, является реализацией фильтра LMS (наименьшие средние квадраты). Фильтр LMS является классом адаптивного фильтра, который идентифицирует сигнал фильтра FIR, который встроен в шум. Реализация конструкции фильтра LMS в MATLAB состоит из функции верхнего уровня mlhdlc_lms_fcn вычисляет оптимальные коэффициенты фильтра для уменьшения разности между выходным сигналом и требуемым сигналом.
design_name = 'mlhdlc_lms_fcn'; testbench_name = 'mlhdlc_lms_noise_canceler_tb';
Просмотрите проект MATLAB:
open(design_name);
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % MATLAB Design: Adaptive Noise Canceler algorithm using Least Mean Square % (LMS) filter implemented in MATLAB % % Key Design pattern covered in this example: % (1) Use of function calls % (2) Function inlining vs instantiation knobs available in the coder % (3) Use of system objects in the testbench to stream test vectors into the design %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %#codegen function [filtered_signal, y, fc] = mlhdlc_lms_fcn(input, ... desired, step_size, reset_weights) % 'input' : The signal from Exterior Mic which records the ambient noise. % 'desired': The signal from Pilot's Mic which includes % original music signal and the noise signal % 'err_sig': The difference between the 'desired' and the filtered 'input' % It represents the estimated music signal (output of this block) % % The LMS filter is trying to retrieve the original music signal('err_sig') % from Pilot's Mic by filtering the Exterior Mic's signal and using it to % cancel the noise in Pilot's Mic. The coefficients/weights of the filter % are updated(adapted) in real-time based on 'input' and 'err_sig'. % register filter coefficients persistent filter_coeff; if isempty(filter_coeff) filter_coeff = zeros(1, 40); end % Variable Filter: Call 'tapped_delay_fcn' function on path to create % 40-step tapped delay delayed_signal = mtapped_delay_fcn(input); % Apply filter coefficients weight_applied = delayed_signal .* filter_coeff; % Call treesum function on matlab path to sum up the results filtered_signal = mtreesum_fcn(weight_applied); % Output estimated Original Signal td = desired; tf = filtered_signal; esig = td - tf; y = esig; % Update Weights: Call 'update_weight_fcn' function on MATLAB path to % calculate the new weights updated_weight = update_weight_fcn(step_size, esig, delayed_signal, ... filter_coeff, reset_weights); % update filter coefficients register filter_coeff = updated_weight; fc = filter_coeff; function y = mtreesum_fcn(u) %Implement the 'sum' function without a for-loop % y = sum(u); % The loop based implementation of 'sum' function is not ideal for % HDL generation and results in a longer critical path. % A tree is more efficient as it results in % delay of log2(N) instead of a delay of N delay % This implementation shows how to explicitly implement the vector sum in % a tree shape to enable hardware optimizations. % The ideal way to code this generically for any length of 'u' is to use % recursion but it is not currently supported by MATLAB Coder % NOTE: To instruct MATLAB Coder to compile an external function, % add the following compilation directive or pragma to the function code %#codegen % This implementation is hardwired for a 40tap filter. level1 = vsum(u); level2 = vsum(level1); level3 = vsum(level2); level4 = vsum(level3); level5 = vsum(level4); level6 = vsum(level5); y = level6; function output = vsum(input) coder.inline('always'); vt = input(1:2:end); for i = int32(1:numel(input)/2) k = int32(i*2); vt(i) = vt(i) + input(k); end output = vt; function tap_delay = mtapped_delay_fcn(input) % The Tapped Delay function delays its input by the specified number % of sample periods, and outputs all the delayed versions in a vector % form. The output includes current input % NOTE: To instruct MATLAB Coder to compile an external function, % add the following compilation directive or pragma to the function code %#codegen persistent u_d; if isempty(u_d) u_d = zeros(1,40); end u_d = [u_d(2:40), input]; tap_delay = u_d; function weights = update_weight_fcn(step_size, err_sig, ... delayed_signal, filter_coeff, reset_weights) % This function updates the adaptive filter weights based on LMS algorithm % Copyright 2007-2015 The MathWorks, Inc. % NOTE: To instruct MATLAB Coder to compile an external function, % add the following compilation directive or pragma to the function code %#codegen step_sig = step_size .* err_sig; correction_factor = delayed_signal .* step_sig; updated_weight = correction_factor + filter_coeff; if reset_weights weights = zeros(1,40); else weights = updated_weight; end
Функция MATLAB является модульной и использует следующие функции:
mtapped_delay_fcn вычисляют задержанные версии входного сигнала в векторной форме.
mtreesum_fcn для вычисления суммы примененных весов в древовидной структуре. Индивидуальная сумма рассчитывается с использованием vsum функция.
update_weight_fcn для вычисления обновленных весов фильтра на основе алгоритма наименьшего среднего квадрата.
Проверьте тестовый стенд MATLAB:
open(testbench_name)
% Returns an adaptive FIR filter System object, % HLMS, that computes the filtered output, filter error and the filter % weights for a given input and desired signal using the Least Mean % Squares (LMS) algorithm. % Copyright 2011-2019 The MathWorks, Inc. clear('mlhdlc_lms_fcn'); hfilt2 = dsp.FIRFilter(... 'Numerator', fir1(10, [.5, .75])); rng('default'); % always default to known state x = randn(1000,1); % Noise d = step(hfilt2, x) + sin(0:.05:49.95)'; % Noise + Signal stepSize = 0.01; reset_weights =false; hSrc = dsp.SignalSource(x); hDesiredSrc = dsp.SignalSource(d); hOut = dsp.SignalSink; hErr = dsp.SignalSink; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Call to the design %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% while (~isDone(hSrc)) [y, e] = mlhdlc_lms_fcn(step(hSrc), step(hDesiredSrc), ... stepSize, reset_weights); step(hOut, y); step(hErr, e); end figure('Name', [mfilename, '_signal_plot']); subplot(2,1,1), plot(hOut.Buffer), title('Noise + Signal'); subplot(2,1,2),plot(hErr.Buffer), title('Signal');
Во избежание ошибок во время выполнения смоделировать конструкцию с помощью испытательного стенда.
mlhdlc_lms_noise_canceler_tb

Перед созданием кода HDL для проекта MATLAB скопируйте файлы проекта и тестового стенда в записываемую папку. Эти команды копируют файлы во временную папку.
mlhdlc_demo_dir = fullfile(matlabroot, 'toolbox', 'hdlcoder', 'hdlcoderdemos', 'matlabhdlcoderdemos'); mlhdlc_temp_dir = [tempdir 'mlhdlc_lms_nc'];
создайте временную папку и скопируйте файлы MATLAB.
cd(tempdir);
[~, ~, ~] = rmdir(mlhdlc_temp_dir, 's');
mkdir(mlhdlc_temp_dir);
cd(mlhdlc_temp_dir);
copyfile(fullfile(mlhdlc_demo_dir, [design_name,'.m*']), mlhdlc_temp_dir); copyfile(fullfile(mlhdlc_demo_dir, [testbench_name,'.m*']), mlhdlc_temp_dir);
Для создания кода HDL из конструкции MATLAB:
1. Создайте проект кодера HDL:
coder -hdlcoder -new mlhdlc_lms_nc
2. Добавить файл mlhdlc_lms_fcn.m в качестве функции MATLAB и mlhdlc_lms_noise_canceler_tb.m в качестве испытательного стенда MATLAB.
3. Щелкните Автоопределение типов (Autodefine types), чтобы использовать рекомендуемые типы для входов и выходов функции MATLAB mlhdlc_lms_fcn.
Более подробное руководство по созданию и заполнению проектов кодера MATLAB HDL см. в разделе Начало работы с MATLAB в Workflow-процессе HDL.

Нажмите кнопку Помощник по рабочим процессам, чтобы запустить помощник по рабочим процессам.
Щелкните правой кнопкой мыши задачу Создание кода HDL и выберите Выполнить для выбранной задачи.
Один файл HDL mlhdlc_lms_fcn_FixPt.vhd создается для проекта MATLAB. Чтобы проверить созданный код HDL для конструкции фильтра, щелкните гиперссылки в окне Журнал генерации кода (Code Generation Log).
Если требуется создать файл HDL для каждой функции в конструкции MATLAB, на вкладке Дополнительно (Advanced) задачи Создание кода HDL (HDL Code Generation) установите флажок Генерировать код экземпляра для функций (Generate instantable code for functions). См. также раздел Создание кода экземпляра для функций.
Чтобы очистить временную папку проекта, выполните следующие команды:
mlhdlc_demo_dir = fullfile(matlabroot, 'toolbox', 'hdlcoder', 'hdlcoderdemos', 'matlabhdlcoderdemos'); mlhdlc_temp_dir = [tempdir 'mlhdlc_lms_nc']; clear mex; cd (mlhdlc_demo_dir); rmdir(mlhdlc_temp_dir, 's');