基于HLS实现FIR滤波器

1.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。

在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号；滤波器输出的数据是一串序列。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。本章借助Xilinx HLS工具，实现了一个硬件FIR滤波器。

2.基于HLS的FIR滤波器实现流程

1）打开vivado HLS 2014.4,点击“Create New Project”图标，如下图所示：

2）输入工程名和路径，点击Next：

3）接下来是指定顶层函数名，以及添加所需源文件。可以在工程建立后再进行这些操作，所以直接点击Next：

4）然后是指定测试文件，同样跳过，点击Next：

5）在接下来的界面中，设置时钟周期为默认的10（单位：ns），点击Part Selection右侧的按钮：

6）在search栏输入xc7k160tfbg484-2，然后在Device中选择xc7k160tfbg484-2器件，点击ok。

7）回到Solution Configuration界面，点击Finish，完成新建工程。

8）右击工程界面左侧Explorer栏的Source，选择New File，新建两个文件：fir.h和fir.c。在fir.h中添加如下代码：

#ifndef FIR_H_

#define FIR_H_

#define N   11

typedef int coef_t;

typedef int data_t;

typedef int acc_t;

void fir (

 data_t*y,

 coef_tc[N+1],

 data_tx

 );

#endif

保存文件，再在fir.c中添加如下代码：

#include "fir.h"

void fir (

 data_t *y,

 coef_t c[N],

 data_t x

 ) {

#pragma HLS INTERFACE ap_vld port=x

#pragma HLS RESOURCE variable=c core=RAM_1P_BRAM

 static data_tshift_reg[N];

 acc_t acc;

 data_t data;

 inti;

 acc=0;

 Shift_Accum_Loop: for (i=N-1;i>=0;i--) {

        if (i==0) {

            shift_reg[0]=x;

        data = x;

   } else{

            shift_reg[i]=shift_reg[i-1];

            data= shift_reg[i];

   }

   acc+=data*c[i];;      

 }

 *y=acc;

}

注意到，优化指令#pragma HLS RESOURCE variable=c core=RAM_1P_BRAM的功能是将c口设置成与外部ram相连的接口。使得c口可以直接从ram中读取数据。可以通过综合完毕后的报告，查看最终生成的端口类型。

保存文件，此时工程界面如下所示：

9）设置顶层函数名。点击project->projectsettings，然后选择synthesis，在SynthesisSettings界面中设置Top Function为fir，如下图所示。然后点击ok：

10）综合工程。点击工程界面上方的综合按钮，如下图红框内所示：

11）综合结束，工程界面会出现一个report文件，可以查看延时以及等待时间、资源占用、接口类型等信息。

12）接下来是测试。右击Explore栏的Test Bench，新建一个fir_test.c的测试文件。添加以下代码，并保存：

#include <stdio.h>

#include <math.h>

#include "fir.h"

int main () {

 constint    SAMPLES=600;

 FILE         *fp;

 data_tsignal, output;

 coef_ttaps[N] ={0,-10,-9,23,56,63,56,23,-9,-10,0,};

 inti, ramp_up;

 signal = 0;

 ramp_up = 1;

 fp=fopen("out.dat","w");

 for(i=0;i<=SAMPLES;i++) {

   if (ramp_up == 1)

       signal = signal + 1;

   else

       signal = signal - 1;

    // Execute the function with latest input

   fir(&output,taps,signal);

   if((ramp_up == 1) && (signal >= 75))

    ramp_up = 0;

   elseif((ramp_up == 0) && (signal <= -75))

    ramp_up = 1;

    // Save the results.

   fprintf(fp,"%i %d %d\n",i,signal,output);

 }

 fclose(fp);

 printf("Comparing against output data\n");

 if(system("diff -w out.datout.gold.dat")) {

    fprintf(stdout, "*******************************************\n");

    fprintf(stdout, "FAIL: Output DOES NOT match the goldenoutput\n");

    fprintf(stdout, "*******************************************\n");

    return1;

 } else{

    fprintf(stdout, "*******************************************\n");

    fprintf(stdout, "PASS: The output matches the golden output!\n");

    fprintf(stdout, "*******************************************\n");

    return0;

 }

}

13）添加测试数据文件。将out.gold.dat文件复制到工程根文件夹下，然后在Test Bench中添加这个文件。

14）点击RunC Simulation按钮，然后在新弹出的C Simulation Dialog窗口中点击OK，进行测试：

15）测试结束后，Console窗口中会打印出下图红框内的信息，证明测试通过：