Этот пример иллюстрирует, как сгенерировать HDL-код для 5-го порядка Фильтр Баттерворта. Частота среза для этого фильтра является очень низкой относительно частоты дискретизации, ведя к фильтру, который затрудняет, чтобы сделать практичным. Кроме того, потому что фильтр имеет маленький (8-битный) вход и выход (9-битные) размеры слова, квантованный фильтр требует, чтобы масштабирование было осуществимо.
Используйте частоту дискретизации CD 44,1 кГц и частоту среза 500 Гц. Во-первых, создайте объект создания фильтра, затем создайте Систему фильтра biquad object™. Наконец, используйте fvtool исследовать ответ в логарифмической частоте.
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');
Примените настройки фиксированной точки к объекту фильтра. Этот пример использует 9-битные выходные данные фиксированной точки с 12-битными коэффициентами, 20-битными состояниями, продуктами полной точности и 32-битными сумматорами. Проверяйте ответ при помощи 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');
В графике выше, fvtool показывает, что квантованная полоса пропускания на приблизительно 2 дБ ниже, чем желаемый ответ. Настройте содействующий размер слова от 12 до 16, чтобы получить квантованный ответ ближе на ссылочный ответ с двойной точностью и увеличить масштаб ответа полосы пропускания. Квантованный фильтр теперь чуть на более чем 0,1 дБ ниже, чем ссылочный фильтр.
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]);
Ключевой шаг для аппаратной реализации создания фильтра должен проверять, разумны ли значения шкалы и настраивают значение шкалы в случае необходимости. Во-первых, исследуйте квантованные значения шкалы относительно входной спецификации. Входные данные являются 8-битными значениями с дробной длиной 7 битов. Поскольку первые два значения шкалы меньше, чем можно представить этими входными настройками, большинство входных значений квантуется далеко. Чтобы откорректировать это поведение, фильтр должен масштабироваться.
scaless = butterFilter.ScaleValues .* 2^7 %#ok<*NASGU> scaless = 4×1
0.1588
0.1535
4.4042
128.0000
Теперь масштабируйте фильтр с помощью нормы по бесконечности частотного диапазона. В этом случае, после масштабирования, значения шкалы все равны одному.
scale(butterFilter,'Linf');
scaless = butterFilter.ScaleValuesscaless = 4×1
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
Начиная с правильно квантованного фильтра сгенерируйте код VHDL или Verilog. У вас есть опция генерации испытательного стенда VHDL или Verilog, чтобы проверить, что проект HDL совпадает с фильтром MATLAB®.
Чтобы сгенерировать Verilog вместо этого, измените значение TargetLanguage свойство, от 'VHDL' к 'Verilog'.
Поскольку полоса пропускания этого фильтра является низкой относительно частоты дискретизации, пользовательский входной стимул является лучшим способом протестировать реализацию фильтра. Создайте тестовое воздействие с одним циклом каждого из 50 - 300 Гц на шагах на 50 Гц.
Сгенерируйте 8-битный вход фиксированной точки со знаком с 7 битами дробной длины.
Сгенерируйте код VHDL для фильтра и испытательного стенда VHDL, чтобы проверить, что результаты соответствуют, MATLAB заканчивается точно.
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', ... 'GenerateHDLTestbench','on', ... 'TestBenchUserStimulus',userstim, ... 'InputDataType',numerictype(1,8,7));
### Starting VHDL code generation process for filter: hdlbutter ### Generating: /tmp/BR2021bd_1751886_255755/mlx_to_docbook1/tp658a2b87/hdlfilter-ex42204542/hdlsrc/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/BR2021bd_1751886_255755/mlx_to_docbook1/tp658a2b87/hdlfilter-ex42204542/hdlsrc/hdlbutter_tb.vhd ### Creating stimulus vectors ... ### Done generating VHDL Test Bench.
В качестве альтернативы можно сгенерировать HDL-код и испытательный стенд при помощи fdhdhltool команда. Эта команда открывает диалоговое окно, которое позволяет вам настраивать и генерировать код Verilog или VHDL и испытательные стенды для квантованного фильтра.
Когда вы задаете тип фильтра, инструмент настраивается, чтобы показать только соответствующие варианты для того типа фильтра.
fdhdltool(butterFilter,numerictype(1,8,7));
Можно изменить настройки по умолчанию и нажать Generate, чтобы сгенерировать HDL-код и/или испытательный стенд.
Изображение показывает симулятор HDL ModelSim после выполнения испытательного стенда VHDL. Сравните результат ModelSim с результатом MATLAB.
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 #');
Вы спроектировали Фильтр Баттерворта, чтобы выполнить данной спецификации. Вы затем квантовали фильтр и обнаружили, что требование полосы пропускания не было удовлетворено. Переквантование коэффициентов и масштабирование фильтра устранили эту проблему. Вы затем сгенерировали код VHDL для фильтра и испытательного стенда VHDL.
Можно использовать симулятор HDL ModelSim, чтобы проверить эти результаты. Можно также экспериментировать с VHDL и Verilog и для фильтров и для испытательных стендов.