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基于FPGA的多級CIC濾波器實(shí)現(xiàn)四倍插值

在《基于FPGA的多級CIC濾波器實(shí)現(xiàn)四倍抽取一》和《基于FPGA的多級CIC濾波器實(shí)現(xiàn)四倍抽取二》中我們先來了解滑動(dòng)平均濾波器、微分器、積分器以及梳狀濾波器原理以及它們的幅頻響應(yīng)。此篇我們將用verilog實(shí)現(xiàn)基于FPGA的多級CIC濾波器實(shí)現(xiàn)四倍插值。

1 CIC濾波器的基本概述

??CIC(積分梳狀)濾波器是無線通信中的常用模塊,一般用于數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字上變頻(DUC)系統(tǒng)。CIC濾波器結(jié)構(gòu)簡單,只有加法器、積分器和寄存器,適合于工作在搞采樣率條件下,而且CIC濾波器是一種基于零點(diǎn)相消的FIR濾波器,已經(jīng)被證明是在高速抽取或插值系統(tǒng)中非常有效的單元。

??整數(shù)倍內(nèi)插是先在已知抽樣序列的相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之間等間隔地插入(I-1)個(gè)零值點(diǎn),然后進(jìn)行低通濾波器,即可求得I倍內(nèi)插的結(jié)果。

??此篇我們采用多級CIC濾波器實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍內(nèi)插提升采樣率。

2 matlab實(shí)現(xiàn)CIC濾波器的四倍插值

??設(shè)計(jì)目標(biāo):將載波頻率44.1khz1khz sine升采樣率到176.4khz。

close all

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clc

?

%set system parameter

fs = 1000; ???%The frequency of the local oscillator signal

Fs = 44100; ??%sampling frequency

Fs1 = 176400;

N = ?24; ????????%Quantitative bits

L = 81920;

?

%Generating an input signal

t =0:1/Fs:(1/Fs)*(L-1); ?????????%Generating the time series of sampling frequencies

sc =sin(2*pi*fs*t); ???????%a sinusoidal input signal that produces a random starting phase

?

b =[1,-1];%comb

a =[1,-1];%integerator

?

%comb

c1=filter(b,1,sc);

c2=filter(b,1,c1);

c3=filter(b,1,c2);

?

y = upsample(c3,4);

?

%integerater

i1 =filter(1,a,y);

i2 =filter(1,a,i1);

i3 =filter(1,a,i2);

sf = i3./16;

?

f_osc =fft(sc,L);

f_osc=20*log(abs(f_osc))/log(10); ???????%換算成dBW單位

ft1=[0:(Fs/L):Fs/2]; ?????????????%轉(zhuǎn)換橫坐標(biāo)以Hz為單位

f_osc=f_osc(1:length(ft1));

?

f_o =fft(sf,L);

f_o=20*log(abs(f_o))/log(10); ???????%換算成dBW單位

ft2=[0:(Fs1/L):Fs1/8]; ?????????????%轉(zhuǎn)換橫坐標(biāo)以Hz為單位

f_o=f_o(1:length(ft2));

?

?

figure(1),

subplot(211),stem(t(1:32),sc(1:32));

xlabel('時(shí)間(t)','fontsize',8);

ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);

title('sc','fontsize',8);

subplot(212),stem(t(1:128),sf(1:128));

xlabel('時(shí)間(t)','fontsize',8);

ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);

title('sf','fontsize',8);

?

figure(2),

subplot(211),plot(ft1,f_osc);

xlabel('頻率(Hz)','fontsize',8); ylabel('功率(dBW)','fontsize',8);

title('原始信號信號頻譜圖','fontsize',8);legend('sc');

subplot(212),plot(ft2,f_o);

xlabel('頻率(Hz)','fontsize',8); ylabel('功率(dBW)','fontsize',8);

title('濾波后信號頻譜圖','fontsize',8);legend('sf');

?

?

3 FPGA實(shí)現(xiàn)CIC濾波器的四倍插值

FPGA設(shè)計(jì):FPGAi2s輸入44.1khz1khz sine(當(dāng)然也可以是歌曲44.1khz采樣率),經(jīng)過i2s串轉(zhuǎn)并后經(jīng)過mult_cic模塊進(jìn)行采樣率提升處理(變成176.4khz 1khz sine或者歌曲),再通過i2s_tx_master并轉(zhuǎn)串送到DAC 。

?

多級CIC濾波器的結(jié)構(gòu)主要由梳狀濾波器+插值+積分器構(gòu)成。

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FPGA代碼:

`timescale 1ps/1ps module mult_cic#(parameter DW = 38)(       input mclk,//45.1584MHZ   input reset_n,   input signed[31:0] pcm_in,//44.1khz   output signed[31:0] pcm_out //176.4khz   ); wire signed [DW-1:0]       temp;wire signed [DW-1:0]integrator_temp;wire signed [DW-1:0]    interpolation_temp;wire signed [DW-1:0]    comb_temp;   assign temp = {{(DW-32){pcm_in[31]}},pcm_in}; comb#(.DW(DW))      U_comb(     .mclk(mclk), .reset_n(reset_n), .din(temp), .dout(comb_temp) );   interpolation#(.DW(DW))        U_interpolation(       .mclk(mclk),   .reset_n(reset_n),   .din(comb_temp),   .dout(interpolation_temp)   );    integrator#(.DW(DW))        U_integrator(           .mclk(mclk),       .reset_n(reset_n),       .din(interpolation_temp),       .dout(integrator_temp)   );    //divideassign pcm_out = integrator_temp[35:4];   endmodule


?

module integrator#(parameter DW = 38)(       input                mclk,   input                reset_n,   input  signed [DW-1:0] din,   output signed [DW-1:0] dout   ); localparam LAST_CYCLE = 256;reg [7:0] i; reg signed [DW-1:0] temp_xin1,temp_xin2,temp_xin3;wire signed [DW-1:0] i1_temp,i2_temp,i3_temp;  always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin  if(reset_n == 1'b0)    i <= 0;  else    i<= i+1;end always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin //The first level integrator  if(reset_n == 1'b0)    temp_xin1 <= 0;  else if(i == (LAST_CYCLE-1))    temp_xin1 <= i1_temp;end assign i1_temp = (reset_n == 1'b0)?38'b0:( din + temp_xin1); always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin //The second level integrator  if(reset_n == 1'b0)    temp_xin2 <= 0;  else if(i == (LAST_CYCLE-1))    temp_xin2 <= i2_temp;end assign i2_temp = (reset_n == 1'b0)?38'b0:( i1_temp + temp_xin2); always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin //The third level integrator  if(reset_n == 1'b0)    temp_xin3 <= 0;  else if(i == (LAST_CYCLE-1))    temp_xin3 <= i3_temp;end assign i3_temp = (reset_n == 1'b0)?38'b0:( i2_temp + temp_xin3); assign dout = i3_temp;    endmodule


?

module interpolation#(parameter DW = 38)(       input                mclk,   input                reset_n,   input  signed [DW-1:0] din,   output signed [DW-1:0] dout   );   localparam LAST_CYCLE = 256;reg [9:0] i; reg signed [DW-1:0] dout_pcm; assign dout = dout_pcm; always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin  if(reset_n == 1'b0) begin    i <= 0;dout_pcm<=0;  end  else begin    i<= i+1;if(i == (LAST_CYCLE-1)) dout_pcm<=din;      //upsample(x,n)--n--4if(i == (LAST_CYCLE*2-1)) dout_pcm<=32'b0;      //upsample(x,n)--n--4if(i == (LAST_CYCLE*3-1)) dout_pcm<=32'b0;      //upsample(x,n)--n--4if(i == (LAST_CYCLE*4-1)) dout_pcm<=32'b0;      //upsample(x,n)--n--4  endend endmodule


?

module comb#(parameter DW = 38)(       input                mclk,   input                reset_n,   input  signed [DW-1:0] din,   output signed [DW-1:0] dout   );   localparam LAST_CYCLE = 1024;reg [9:0] i;//88.2 reg signed [DW-1:0] d1,d2,d3,d4;wire signed [DW-1:0] c1,c2; always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin  if(reset_n == 1'b0) begin    i <= 0;d1 <=0;d2 <=0;d3 <=0;d4 <=0;  end  else begin    i<= i+1;if(i == (LAST_CYCLE-1)) begin      d1<=din;  d2<=d1;  d3<=c1;  d4<=c2;end  endend assign c1 = (reset_n ==1'b0)?38'b0:(d1-d2);//comb1assign c2 = (reset_n ==1'b0)?38'b0:(c1-d3);//comb2assign dout =(reset_n ==1'b0)?38'b0:(c2-d4);//comb3 endmodule

FPGA仿真:

仿真輸入1khz sine輸出依然為1khz sine,設(shè)計(jì)成功。

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至此我們可以去完成3倍抽取5倍插值等采樣率轉(zhuǎn)化算法。


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