Проектирование фильтра

Используйте частоту дискретизации CD 44,1 кГц и частоту отсечки 500 Гц. Во-первых, создайте объект проектирования фильтра, затем создайте Системный объект Фильтра DF1 Biquad. Наконец, изучите отклик в логарифмической частоте с помощью fvtool.

Fs = 44100;
F3db = 500;
filtdes = fdesign.lowpass('n,f3db', 5, F3db, Fs);
butterFilter = design(filtdes,'butter',...
    'SystemObject',true,'FilterStructure','df1sos');

fvtool(butterFilter,'Fs',Fs,'FrequencyScale','log');

Создание квантованного фильтра

Примените параметры фиксированной точки к объекту фильтра. Предположим, что 9-разрядные выходные данные с фиксированной точкой содержат 12-разрядные коэффициенты, 20-разрядные состояния, продукты полной точности и 32-разрядные сумматоры. Проверьте ответ с помощью fvtool.

butterFilter.NumeratorCoefficientsDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomNumeratorCoefficientsDataType = numerictype([],12);
butterFilter.CustomDenominatorCoefficientsDataType = numerictype([],12);
butterFilter.CustomScaleValuesDataType = numerictype([],12);
butterFilter.SectionInputDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomSectionInputDataType = numerictype([],20,15);
butterFilter.SectionOutputDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomSectionOutputDataType = numerictype([],20,15);
butterFilter.NumeratorProductDataType = 'Full precision';
butterFilter.DenominatorProductDataType = 'Full precision';
butterFilter.NumeratorAccumulatorDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomNumeratorAccumulatorDataType = numerictype([],32,24);
butterFilter.DenominatorAccumulatorDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomDenominatorAccumulatorDataType = numerictype([],32,25);
butterFilter.OutputDataType = 'Custom';
butterFilter.CustomOutputDataType = numerictype([],9,7);
butterFilter.RoundingMethod = 'nearest';
butterFilter.OverflowAction = 'wrap';

fvtool(butterFilter,'Fs',Fs,'FrequencyScale','log','Arithmetic','fixed');

Повторная инициализация фильтра

На графике выше fvtool показывает, что квантованная полоса пропускания приблизительно на 2 дБ ниже желаемого отклика. Отрегулируйте длину слова коэффициента от 12 до 16, чтобы получить квантованный отклик ближе к эталонному отклику двойной точности и увеличить отклик полосы пропускания. Квантованный фильтр теперь чуть более 0,1 дБ ниже опорного фильтра.

butterFilter.CustomNumeratorCoefficientsDataType = numerictype([],16);
butterFilter.CustomDenominatorCoefficientsDataType = numerictype([],16);
butterFilter.CustomScaleValuesDataType = numerictype([],16);

fvtool(butterFilter,'Fs',Fs,'FrequencyScale','log','Arithmetic','fixed');
axis([0 1.0 -1 1]);

Проверка значений шкалы

Ключевым шагом для аппаратной реализации конструкции фильтра является проверка обоснованности значений шкалы и, при необходимости, корректировка значения шкалы. Сначала изучите квантованные значения шкалы относительно входной спецификации - 8-битовое значение с длиной дроби 7 бит. Поскольку первые два значения шкалы меньше, чем входные настройки, большинство входных значений квантуются. Чтобы исправить это, необходимо масштабировать фильтр.

scaless = butterFilter.ScaleValues .* 2^7;
disp(scaless);

    0.1588
    0.1535
    4.4042
  128.0000

Теперь масштабируйте фильтр, используя норму бесконечности частотной области. После масштабирования все значения масштаба в данном случае равны единице.

scale(butterFilter,'Linf');
scaless = butterFilter.ScaleValues;
disp(scaless);

    1.0000
    1.0000
    1.0000
    1.0000

Создание кода HDL и тестового стенда из квантованного фильтра

Начиная с правильно квантованного фильтра, генерируйте код VHDL или Verilog. Имеется возможность создания стенда VHDL или Verilog для проверки соответствия конструкции HDL фильтру MATLAB ®.

Чтобы создать Verilog, измените значение свойства TargetLanguage с VHDL на Verilog.

Поскольку полоса пропускания этого фильтра так низка относительно частоты дискретизации, пользовательский входной стимул является лучшим способом проверки реализации фильтра. Создайте тестовый вход с одним циклом с частотой от 50 до 300 Гц в течение 50 Гц.

Предположим, что 8-битный вход со знаком фиксированной точки имеет 7 бит дроби.

Создайте стенд тестирования VHDL, чтобы убедиться, что результаты точно соответствуют результатам MATLAB.

Создайте временную рабочую папку. Создайте код VHDL для фильтра и стенда тестирования VHDL, чтобы убедиться, что результаты точно соответствуют результатам MATLAB.

Откройте созданный файл VHDL для фильтра в редакторе.

workingdir = tempname;

userstim = [];
for n = [50, 100, 150, 200, 250, 300]
  userstim = [userstim,sin(2*pi*n/Fs*(0:Fs/n))]; %#ok
end

generatehdl(butterFilter,'Name','hdlbutter',...
    'TargetLanguage','VHDL',...
    'TargetDirectory',workingdir, ...
    'GenerateHDLTestbench','on', ...
    'TestBenchUserStimulus',userstim, ...
    'InputDataType',numerictype(1,8,7));

### Starting VHDL code generation process for filter: hdlbutter
### Generating: /tmp/BR2021ad_1655202_180016/mlx_to_docbook1/tp444233f3_9928_41c3_b966_49741c6a18e9/hdlbutter.vhd
### Starting generation of hdlbutter VHDL entity
### Starting generation of hdlbutter VHDL architecture
### First-order section, # 1
### Second-order section, # 2
### Second-order section, # 3
### Successful completion of VHDL code generation process for filter: hdlbutter
### HDL latency is 2 samples
### Starting generation of VHDL Test Bench.
### Generating input stimulus
### Done generating input stimulus; length 2166 samples.
### Generating Test bench: /tmp/BR2021ad_1655202_180016/mlx_to_docbook1/tp444233f3_9928_41c3_b966_49741c6a18e9/hdlbutter_tb.vhd
### Creating stimulus vectors ...
### Done generating VHDL Test Bench.

             
edit(fullfile(workingdir,'hdlbutter.vhd'));

% Open the generated VHDL test bench in the editor.

edit(fullfile(workingdir,'hdlbutter_tb.vhd'));

Создание кода HDL и тестового стенда с использованием FDHDLTool

Код HDL и тестовый стенд могут быть дополнительно сгенерированы с помощью команды FDHDLTOOL, которая открывает диалоговое окно, позволяющее настраивать и генерировать код Verilog или VHDL и тестовые стенды для квантованного фильтра.

Графический интерфейс пользователя настраивается на 'butterFilter' таким образом, что для установки доступны только соответствующие виджеты. Для создания кода HDL и тестового стенда необходимо сначала перейти в рабочий каталог, а затем вызвать команду FDHDLTOOL.

fdhdltool(butterFilter,numerictype(1,8,7));

Можно изменить настройки по умолчанию и нажать кнопку «Создать» для создания ЛПВП и/или тестового стенда.

Результаты моделирования ModelSim ®

На следующем экране показан симулятор ModelSim HDL после запуска тестового стенда VHDL. Сравните результат ModelSim с результатом MATLAB ниже.

xrange = (0:length(userstim) - 1);
y = butterFilter(fi(userstim.',1,8,7));
subplot(2,1,1); plot(xrange, userstim); 
axis([0 length(userstim) -1.1 1.1]);
title('HDL Butterworth Filter In Stimulus.');
xlabel('Sample #');
subplot(2,1,2); plot(xrange, y); 
axis([0 length(userstim) -1.1 1.1]);
title('HDL Butterworth Filter Out Response.');
xlabel('Sample #');

Заключение

Вы разработали фильтр Butterworth, соответствующий данной спецификации. Затем вы квантовали фильтр и обнаружили, что требование полосы пропускания не было выполнено. Реквантация коэффициентов и масштабирование фильтра устранили эту проблему. Затем был создан код VHDL для фильтра и тестового стенда VHDL.

Для проверки этих результатов можно использовать симулятор ModelSim HDL. Можно также экспериментировать с VHDL и Verilog как для фильтров, так и для испытательных стендов.