基于FPGA的通用FIR的VHDL源代码

### 基于FPGA的通用FIR滤波器VHDL源代码解析 #### 一、概述 本文档提供了一份详细的基于FPGA的通用FIR（Finite Impulse Response）滤波器的设计文档，该设计使用VHDL硬件描述语言完成，并已经通过编译验证。FIR滤波器因其线性相位特性而被广泛应用于数字信号处理领域，特别是在音频处理、图像处理以及通信系统中。本设计特别适合于在FPGA上实现，充分利用了FPGA的并行计算能力，能够高效地进行信号处理。 #### 二、设计架构与参数配置 ##### 2.1 架构概述 该FIR滤波器采用了流水线结构来提高处理速度，主要由以下几个部分组成： - **输入数据寄存器**：用于存储输入数据。 - **系数寄存器**：用于存储滤波器系数。 - **乘法器**：实现输入数据与滤波器系数的乘法操作。 - **加法器**：对乘法结果进行累加求和。 - **输出寄存器**：存储最终的滤波结果。 ##### 2.2 参数配置 - **W1**: 输入数据宽度（默认为9位）。 - **W2**: 乘法器输出宽度（默认为18位），等于输入数据宽度的两倍（2 * W1）。 - **W3**: 加法器宽度（默认为19位），根据滤波器长度L确定，计算公式为W2 + log2(L) - 1。 - **W4**: 输出数据宽度（默认为11位）。 - **L**: 滤波器长度（默认为8）。 - **Mpipe**: 乘法器流水线级数（默认为3）。 #### 三、VHDL代码详解 ##### 3.1 库文件与实体声明 ```vhdl LIBRARY lpm; -- 使用预定义的库 USE lpm.lpm_components.ALL; LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_arith.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY fir_lms IS GENERIC ( W1 : INTEGER := 9; -- 输入数据位宽 W2 : INTEGER := 18; -- 乘法器位宽，2 * W1 W3 : INTEGER := 19; -- 加法器宽度=W2+log2(L)-1 W4 : INTEGER := 11; -- 输出位宽 L : INTEGER := 8; -- 滤波器长度 Mpipe : INTEGER := 3 -- 乘法器流水线步骤 ); PORT ( clk : IN STD_LOGIC; Load_x : IN STD_LOGIC; x_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(W1 - 1 DOWNTO 0); c_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(W1 - 1 DOWNTO 0); y_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(W4 - 1 DOWNTO 0) ); END fir_lms; ``` - **Library**: 引入必要的库文件。 - **Entity**: 定义实体`fir_lms`，其中包含了所有接口信号。 ##### 3.2 架构体 ```vhdl ARCHITECTURE flex OF fir_lms IS SUBTYPE N1_BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W1 - 1 DOWNTO 0); SUBTYPE N2_BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W2 - 1 DOWNTO 0); SUBTYPE N3_BIT IS STD_LOGIC_VECTOR(W3 - 1 DOWNTO 0); TYPE ARRAY_N1_BIT IS ARRAY (0 TO L - 1) OF N1_BIT; TYPE ARRAY_N2_BIT IS ARRAY (0 TO L - 1) OF N2_BIT; TYPE ARRAY_N3_BIT IS ARRAY (0 TO L - 1) OF N3_BIT; SIGNAL x : N1_BIT; SIGNAL y : N3_BIT; SIGNAL c : ARRAY_N1_BIT; -- 系数数组 SIGNAL p : ARRAY_N2_BIT; -- 乘法数组 SIGNAL a : ARRAY_N3_BIT; -- 加法数组 BEGIN -- 负载过程 Load: PROCESS BEGIN WAIT UNTIL clk = '1'; IF (Load_x = '0') THEN c(L - 1) <= c_in; -- 将系数存入寄存器 FOR I IN L - 2 DOWNTO 0 LOOP c(I) <= c(I + 1); -- 系数移位 END LOOP; ELSE x <= x_in; -- 一次获取一个数据样本 END IF; END PROCESS Load; -- 计算乘积之和 SOP: PROCESS (clk) BEGIN IF clk'event AND clk = '1' THEN a(L - 1) <= p(L - 1)(W2 - 1) & p(L - 1); -- 第一个抽头只有寄存器 FOR I IN L - 2 DOWNTO 0 LOOP a(I) <= (p(I)(W2 - 1) & p(I)) + a(I + 1); -- 计算转置滤波器的累加 END LOOP; END IF; y <= a(0); END PROCESS SOP; -- 生成乘法器 MulGen: FOR I IN 0 TO L - 1 GENERATE Muls: lpm_mult GENERIC MAP ( LPM_WIDTHA => W1, LPM_WIDTHB => W1, LPM_PIPELINE => Mpipe, LPM_REPRESENTATION => "SIGNED", LPM_WIDTHP => W2, LPM_WIDTHS => W2 ) PORT MAP ( clock => clk, dataa => x, datab => c(I), result => p(I) ); END GENERATE; y_out <= y(W3 - 1 DOWNTO W3 - W4); END flex; ``` - **Subtype**: 定义了不同位宽的数据类型。 - **信号声明**: 声明了各个内部信号。 - **Load过程**: 控制系数和输入数据的加载。 - **SOP过程**: 实现乘积之和的计算。 - **MulGen生成语句**: 生成流水线乘法器。 #### 四、总结 本FIR滤波器的设计充分考虑了性能优化，通过使用流水线技术和并行计算技术，能够在FPGA平台上实现高效的信号处理。设计中采用了可配置参数的方式，可以根据实际应用需求调整滤波器的参数，从而达到最佳的性能表现。此外，本设计还提供了清晰的VHDL代码示例，方便工程师理解和应用。对于需要在FPGA平台上实现高性能数字信号处理的应用场景来说，这份设计具有很高的参考价值。