手把手用Verilog实现FIR滤波器
发布时间：2023-06-19 12:12:31
来源：Bug记录
设计思想
首先需要把FIR最基本的结构实现，也就是每个FIR抽头的数据与其抽头系数相乘这个操作。由顶层文件对这个基本模块进行多次调用。
由于FIR抽头系数是中心对称的，为了减少乘法在FPGA内的出现，每个基本结构同时会输入两个信号，也是关于中心对称的。
(资料图片仅供参考)
此外，为了防止后续相加的过程引起符号位溢出，FIR基本模块需要对乘法结果进行符号位扩展。
扩展完成后，如果同时对这些（71个）加权结果相加，肯定会使得系统运行速率上不去，而且设计的比较死板。这里需要引入流水线操作；何为流水线操作，简单地说，本来你一个人承担一桌菜，你需要洗菜，切菜，炒菜，装盘，上桌，不仅十分麻烦而且很耽误时间；这个时候有人过来帮你，一个人洗菜，一个人切菜，一个人炒菜，一个人装盘，你负责上桌，虽然费了些人，但是每个人的任务都比较轻松所以做事速度也很快，这就是流水线操作，把一件很复杂的事情划分成N个小事，虽然牺牲了面积但换取了系统运行时钟的提升。
前期准备除了Verilog模块，我们还有几样东西需要准备。首先，需要将FIR抽头系数定点化，上一文使用的FIR抽头系数都是很小的浮点数，为此，我们直接对每个系数乘以2的15次幂，然后取整数，舍去小数位，设定FIR抽头系数位宽为16bit；因为系数本身比较小，不担心会溢出。注意，这里抽头系数的位宽尽量不超过信号位宽，否则可能会有问题。
为了方便多个模块同时调用FIR系数，这里使用Python直接将定点化的系数生成为function，输入为index，需要第N阶的FIR系数，就调用function，输入参数为N，输出为定点化的系数。
所谓定点化，这里使用的方法十分粗暴，直接对所有浮点数，乘以一个2的n次幂。然后对参数向下取整，舍弃小数位。
FIR浮点系数转化为定点数并生成function的代码如下：
def coef2function(filename, exp, gain): # :paramfilename: FIR抽头系数文件名 # :param exp: 浮点数转定点数的位宽 # :param gain: 浮点数整体的增益，增益为power(2, gain) # :return: coef = set_coef(filename) with open("fir_coef.v", "w") as f: f.write("function [{}:0] get_coef;\\n".format(exp-1)) f.write("input [7:0] index;\\n") f.write("case (index)\\n") for i in range(len(coef)): f.write("{}: get_coef = {};\\n".format(i,int(np.floor(coef[i] * np.power(2,gain))))) f.write("default: get_coef = 0;\\n") f.write("endcase\\nendfunction")转换生成的function示例如下：
function [15:0] get_coef;input [7:0] index;case (index)0: get_coef = 0;1: get_coef = 0;2: get_coef = 2;3: get_coef = 10;...69: get_coef = 10;70: get_coef = 2;71: get_coef = 0;72: get_coef = 0;default: get_coef = 0;endcaseendfunction这样，当多个基本模块并行运行时，每个模块的系数可以通过调用function获取对应的参数。
仿真需要有信号源供FIR滤波，所以直接将仿真用的信号源定点化；因为Testbench中使用readmemh或者readmemb读取txt文档数据，只能读取二进制或16进制数据，所以需要对数据进行二进制或16进制转换。
信号源选取上一文的信号源，由于该信号源最大值为3，设定信号源的位宽为16位，为防止数据溢出，信号源整体乘以2的12次幂，然后取整舍去小数位。为了方便后续转二进制，这里需要将数据由16bit有符号转为16bit无符号；转换的过程为，如果data[i]小于0，直接设定data[i] = 2^16 + data[i]。然后使用“{{:0>16b}}”.format(data[i])转换为16bit二进制，存入cos.txt。
浮点数转换定点数并转换二进制数据存入txt转换代码如下：
def float2fix_point(data, exp, gain, size): # """ # :param data: 信号源数据 # :param exp: 浮点数转定点数的位宽 # :param gain: 浮点数整体乘以增益，增益为power(2,15) # :param size: 转换多少点数 # :return: # """ if size > len(data): print("error, size > len(data)") return data = [int(np.floor(data[i] * np.power(2, gain) )) for i in range(size)] fmt = "{{:0 >{}b}}".format(exp) n = np.power(2, exp) for i in range(size): if data[i] > (n //2 - 1): print("error") if data[i] < 0: d = n + data[i] else: d = data[i] data[i] = fmt.format(d) # data = [bin(data[i]) for i in range(4096)] np.savetxt("cos.txt", data, fmt="%s")为了方便看示例代码，这里假定信号位宽DATA_BITS为16，系数位宽为COEF_BITS为16，扩展符号位宽EXTEND_BITS为5， 阶数FIR_ORDER为72。
设计思路还是从底层开始设计，首先需要实现FIR的基本模块。前面提到，为了节省乘法器，每个模块输入两个信号和一个FIR抽头系数，两个参数相加，相加结果直接乘以系数，最后做符号位扩展，防止后续操作导致符号位溢出。
fir_base.v 主要代码：
reg signed [DATA_BITS + COEF_BITS - 1:0] data_mult;// 因为FIR系数是中心对称的，所以直接把中心对称的数据相加乘以系数// 相加符号位扩展一位wire signed [DATA_BITS:0] data_in ;assign data_in = {data_in_A[DATA_BITS-1], data_in_A} + {data_in_B[DATA_BITS-1], data_in_B};// 为了防止后续操作导致符号位溢出，这里扩展符号位，设计位操作知识assign data_out = {{EXTEND_BITS{data_mult[DATA_BITS + COEF_BITS - 1]}},data_mult };always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset fir_busy <= 1"b0; data_mult <= 0 ; output_vld <= 1"b0; end else if (en) begin //如果coef为0，不需要计算直接得0 data_mult <= coef != 0 ? data_in * coef : 0; output_vld <= 1"b1; end else begin data_mult <= "d0; output_vld <= 1"b0; endend完成了基本模块后，顶层模块就是调用基本模块，然后对运算结果进行相加操作。但这里需要注意，顶层首先需要73个16bit的寄存器，用来保存传入的信号并实现每时钟周期上升沿，73个数据整体前移；学过数据结构的同学可以把这个想象成队列结构，每次信号上升沿时，队首信号出队，队尾补进新的信号。
实现方法如下：
// FIR输入数据暂存寄存器组reg signed [DATA_BITS-1:0] data_tmp [FIR_ORDER:0] ;always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset data_tmp[0] <= 0; end else if (data_in_vld) begin data_tmp[0] <= data_in; endendgenerate genvar j; for (j = 1; j <= FIR_ORDER; j = j + 1) begin: fir_base //这里无法兼顾0，FIR_HALF_ORDER always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset data_tmp[j] <= 0; end else if (data_in_vld) begin data_tmp[j] <= data_tmp[j-1]; end endendgenerate这里实现了从0-72共73个寄存器，使用了Verilog的类似二维数组的寄存器定义用法。可以从代码看到，0号data_tmp过于特殊，需要保存输入的信号，而其他data_tmp直接使用generate for语法实现前面提到的“队列”功能。generate for语法是可以综合的， 其中for循环的参数必须是常数，其作用就是直接在电路上复制循环体的内容。对于像这样需要规律性地赋值操作很方便，下面还会出现generate for语法。
寄存器组的问题解决后，需要与FIR参数进行乘加，这里同样适用generate for语句简化设计：
localparam FIR_HALF_ORDER = FIR_ORDER / 2; //36wire signed [OUT_BITS-1:0] data_out_tmp [FIR_HALF_ORDER:0] ;// FIR输出数据后流水线相加的中间变量，多出部分变量，防止下一级相加过程中index越界reg signed [OUT_BITS-1:0] dat_out_reg [FIR_HALF_ORDER+4:0] ; //40-0always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER] <= 0; end else if (output_vld_tmp[FIR_HALF_ORDER]) begin dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER] <= data_out_tmp[FIR_HALF_ORDER]; endendfir_base #( .DATA_BITS(DATA_BITS), .COEF_BITS(COEF_BITS), .EXTEND_BITS(EXTEND_BITS) )fir_inst_FIR_HALF_ORDER( .clk (clk), .rst (rst), .en (data_in_vld), .data_in_A (data_tmp[FIR_HALF_ORDER]), .data_in_B (12"d0), .coef (get_coef(FIR_HALF_ORDER)), .fir_busy (), .data_out (data_out_tmp[FIR_HALF_ORDER]), .output_vld (output_vld_tmp[FIR_HALF_ORDER]) );generate genvar j; for (j = 1; j < FIR_HALF_ORDER; j = j + 1) begin: fir_base fir_base #( .DATA_BITS(DATA_BITS), .COEF_BITS(COEF_BITS), .EXTEND_BITS(EXTEND_BITS) ) fir_inst_NORMAL ( .clk (clk), .rst (rst), .en (data_in_vld), .data_in_A (data_tmp[j]), .data_in_B (data_tmp[FIR_ORDER-j]), .coef (get_coef(j)), .fir_busy (), .data_out (data_out_tmp[j]), .output_vld (output_vld_tmp[j]) ); always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset dat_out_reg[j] <= 0; end else if (output_vld_tmp[j]) begin dat_out_reg[j] <= data_out_tmp[j]; end endendgenerate首先由于中心点（第36阶）的系数是只乘中心点，并不像其他系数可以传入关于中心对称的两个信号。所以FIR_HALF_ORDER需要单独例化。同样，dat_out_reg也需要单独复制；其他的信号在generate for循环体完成操作，由于0号系数在阶数为偶数的情况下为0，这里跳过0号系数直接从1号系数开始，所以for循环是从1 - FIR_HALF_ORDER。
加权结果出来后，需要对结果相加，为了提升系统运行速率，这里采用三级流水线操作。每次进行4位数据相加传递给下一级流水线，所以示例代码里FIR最高阶数为4 * 4 * 4 * 2 = 128。
流水线操作过程如下：
// 流水线第一级相加，计算公式ceil(N/4)localparam FIR_ADD_ORDER_ONE = (FIR_HALF_ORDER + 3) / 4; //// 流水线第二级相加，计算公式ceil(N/4)localparam FIR_ADD_ORDER_TWO = (FIR_ADD_ORDER_ONE + 3) / 4; //3reg signed [OUT_BITS-1:0] dat_out_A [FIR_ADD_ORDER_ONE+3:0] ; //12-0reg signed [OUT_BITS-1:0] dat_out_B [FIR_ADD_ORDER_TWO+3:0] ; //6-0// 这些多余的reg直接设为0就可以了always @ (posedge clk) begin dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER+1] = 0; dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER+2] = 0; dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER+3] = 0; dat_out_reg[FIR_HALF_ORDER+4] = 0; dat_out_A[FIR_ADD_ORDER_ONE] = 0; dat_out_A[FIR_ADD_ORDER_ONE+1] = 0; dat_out_A[FIR_ADD_ORDER_ONE+2] = 0; dat_out_A[FIR_ADD_ORDER_ONE+3] = 0; dat_out_B[FIR_ADD_ORDER_TWO] = 0; dat_out_B[FIR_ADD_ORDER_TWO + 1] = 0; dat_out_B[FIR_ADD_ORDER_TWO + 2] = 0; dat_out_B[FIR_ADD_ORDER_TWO + 3] = 0;end// 判定所有FIR_BASE模块完成转换assign data_out_vld = (&output_vld_tmp[FIR_HALF_ORDER:1] == 1"b1) ? 1"b1 : 1"b0;//最后一级流水线always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset data_out <= 0; end else if (data_out_vld) begin data_out <= dat_out_B[0] + dat_out_B[1] + dat_out_B[2] + dat_out_B[3]; endendgenerate genvar j; for (j = 1; j < FIR_HALF_ORDER; j = j + 1) if (j <= FIR_ADD_ORDER_ONE) begin //流水线相加 第一级 //注意j 的范围是[1,FIR_HALF_ORDER] //所以dat_out_A[j-1] always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset dat_out_A[j-1] <= 0; end else begin dat_out_A[j-1] <= dat_out_reg[4*j-3] + dat_out_reg[4*j-2] + dat_out_reg[4*j-1] + dat_out_reg[4*j]; end end end if (j <= FIR_ADD_ORDER_TWO) begin // 流水线相加 第二级 always @(posedge clk or posedge rst) begin if (rst) begin // reset dat_out_B[j-1] <= 0; end else begin dat_out_B[j-1] <= dat_out_A[4*j - 4] + dat_out_A[4*j- 3] + dat_out_A[4*j - 2] + dat_out_A[4*j - 1]; end end endend endgenerate这里第一级，第二级流水线的循环次数采用ceil(N/4)的计算方式，也就是取比N/4大的最小整数。比如5/4 = 1.25,则ceil(1.25) = 2， 而ceil(1) = 1;
定义每级寄存器组时，会多定义4个寄存器组。并且这些寄存器永远为0，这样做的原因以第一级流水线相加举例：
看第一级流水线，假定FIR_ORDER为70，FIR_HALF_ORDER为35，FIR_ADD_ORDER_ONE为9，当j为9时，dat_out_A[8] <= dat_out_reg[33] + dat_out_reg[34] + dat_out_reg[35] + dat_out_reg[36];
而我们在前面设计中正好定义了dat_out_reg[36]，并且它永远为0，不影响最终结果。
可以看到，第一级，第二级流水线使用generate for, if语句。如果if条件成立，if内部的电路会被描述。最后71个数据经过三级流水线相加，结果输出。
如果想要提升FIR的最高运行频率，可以把流水线级数增加，每级流水线相加改为2个或者3个。
这个结构只适合FIR阶数为偶数的情况，由于最近比较忙，没有做更大的兼容性。
仿真结果与资源占用对比VCS仿真结果
FIR滤波效果，Python
FIR滤波效果，Verilog
FIR_IMPLE的资源占用 QuartusII 13.1
FIR IP核资源占用，参数相同情况下，Quartus II 13.1
FIR_IMPLE的Fmax Quartus II 13.1
FIR IP核，Fmax， Quartus II 13.1
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