O_Fir滤波器的Verilog设计

Fir滤波器简介

　　FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。

5位直接型Fir滤波器结构

长度为M的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H（z）描述：
它是次数为M-1的z-1的一个多项式。在时域中，上述有限冲激响应滤波器的输入输出关系为： 其中y（n）和x（n）分别是输出和输入序列。

由Matlab得出五位Fir滤波器的Z域函数为：

结构图

各模块设计

设计模块

寄存器

寄存器用于寄存一组二值代码，只要求它们具有置1、置0的功能即可。
本设计中使用带异步复位reset_n端的D触发器，当reset_n=1时，输出信号q_out=d_in，当reset_n=0且上升沿脉冲到达时q_out=0。

module Dff16(reset_n,clk,d_in,q_out);
input reset_n,clk;
input [15:0]d_in;
output reg [15:0]q_out;

always @(posedge clk or negedge reset_n)
  begin
    if(!reset_n)
      q_out<=16'h0;
    else
      q_out<=d_in; 
  end
endmodule

加法器

由于本设计只涉及到相加，而没有减法，所以本加法器实现两个32位无符号数的相加运算。
即将输入的两数，在时钟脉冲到来时相加运算，输出结果。

module add32(a,b,out);
input [31:0]a,b;
output [34:0]out;

assign out=a+b;

endmodule

乘法器

从资源和速度考虑，常系数乘法运算可用移位相加来实现。
本设计采用加法树乘法器兼顾了资源与速度，将每个乘数例化了一个数组，然后移位相加得出乘积，这样使得乘法运算可以一个周期内完成。

module mult16(outcome,a,b); 
input [15:0]a,b;  
output wire [31:0]outcome; 

wire [30:0] temp0; 
wire [29:0] temp1; 
wire [28:0] temp2; 
wire [27:0] temp3; 
wire [26:0] temp4;  
wire [25:0] temp5; 
wire [24:0] temp6; 
wire [23:0] temp7; 
wire [22:0] temp8; 
wire [21:0] temp9; 
wire [20:0] temp10; 
wire [19:0] temp11; 
wire [18:0] temp12; 
wire [17:0] temp13; 
wire [16:0] temp14; 
wire [15:0] temp15; 

assign temp15=mult16x1(a,b[0]); 
assign temp14=((mult16x1(a,b[1]))<<1); 
assign temp13=((mult16x1(a,b[2]))<<2); 
assign temp12=((mult16x1(a,b[3]))<<3); 
assign temp11=((mult16x1(a,b[4]))<<4); 
assign temp10=((mult16x1(a,b[5]))<<5); 
assign temp9=((mult16x1(a,b[6]))<<6); 
assign temp8=((mult16x1(a,b[7]))<<7); 
assign temp7=((mult16x1(a,b[8]))<<8); 
assign temp6=((mult16x1(a,b[9]))<<9); 
assign temp5=((mult16x1(a,b[10]))<<10); 
assign temp4=((mult16x1(a,b[11]))<<11); 
assign temp3=((mult16x1(a,b[12]))<<12); 
assign temp2=((mult16x1(a,b[13]))<<13); 
assign temp1=((mult16x1(a,b[14]))<<14); 
assign temp0=((mult16x1(a,b[15]))<<15); 

assign outcome=(temp0+temp1+temp2+temp3+temp4+temp5+temp6+temp7+temp8+temp9+temp10+temp11+temp12+temp13+temp14+temp15)/256; 

endmodule

乘法器测试

Verilog小数乘法实现方法

顶层模块

将3个16位寄存器，4个16位乘法器，3个32位加法器在顶层模块分别实例化。

module Fir(reset_n,clk,x_in,y_out);

input reset_n,clk;
input [15:0]x_in;
output [23:0]y_out;

wire [15:0]q1,q2,q3,q4;  
wire [31:0]mout0,mout1,mout2,mout3,mout4; 
wire [34:0]aout1,aout2,aout3,aout4; 

dff16    D1(.reset_n(reset_n),.clk(clk),.d_in(x_in),.q_out(q1)), 
         D2(.reset_n(reset_n),.clk(clk),.d_in(q1),.q_out(q2)), 
         D3(.reset_n(reset_n),.clk(clk),.d_in(q2),.q_out(q3)),
         D4(.reset_n(reset_n),.clk(clk),.d_in(q3),.q_out(q4));  
         
mult16  m0(.outcome(mout0),.a(x_in),.b(16'h0040)), 
        m1(.outcome(mout1),.a(q1),.b(16'h00e0)), 
        m2(.outcome(mout2),.a(q2),.b(16'h0100)), 
        m3(.outcome(mout3),.a(q3),.b(16'h00e0)),
        m4(.outcome(mout4),.a(q4),.b(16'h0040)); 

add32   a1(.a(mout0),.b(mout1),.out(aout1)),  
        a2(.a(aout1),.b(mout2),.out(aout2)), 
        a3(.a(aout2),.b(mout3),.out(aout3)),
        a4(.a(aout3),.b(mout4),.out(aout4));

assign y_out=aout4[23:0];

endmodule

测试数据生成

测试块

`timescale 1ns/1ns
`define clock 50
 
module test;
 
 reg clk,reset_n;
 reg [15:0]x_in;
 reg [15:0]data_mem[0:15];
 integer i;
 wire [23:0]y_out;
 
 always #`clock clk=~clk;
 
 initial
   begin
     clk=0;
     reset_n=1;
   end
 initial 
   begin 
     $readmemh("tri.txt",data_mem);
   end

   always @(posedge clk or negedge reset_n)
     begin 
       if(!reset_n) begin
         x_in<=15'b0;
         i<=0;
         end
       else if(i<=13) begin
         x_in<=data_mem[i];
         i<=i+1;
         end
     end
 
   Fir fir(.reset_n(reset_n),.clk(clk),.x_in(x_in),.y_out(y_out));
 
endmodule

仿真及验证

仿真波形

数据验证

参考文献:《高通FIR数字滤波器设计》,电子科技大学,周恒,《ASIC课程设计报告二》
演示PPT：5位Fir高通滤波器.pptx