教你如何利用Veril—ogHDL設(shè)計(jì)小波濾波器

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)中廣泛采用數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)和方法，其基本思路是先把信號(hào)用一系列的數(shù)字來(lái)表示，然后對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種快速的數(shù)學(xué)運(yùn)算。其目的是多種多樣的，有的是為了加密，有的是為了去掉噪聲等無(wú)關(guān)的信息，稱為濾波；有時(shí)也把某些種類的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算成為變換，如離散的傅里葉變換，小波變換等。VerilogHDL是目前應(yīng)用最廣泛的一種硬件描述語(yǔ)言，用于數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？捎盟M(jìn)行各種級(jí)別的邏輯設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證，時(shí)序分析，邏輯綜合。小波濾波器的設(shè)計(jì)屬于復(fù)雜算法的電路設(shè)計(jì)，因此利用Veril—ogHDL對(duì)雙正交小波濾波器進(jìn)行建模、仿真，實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，將是一種較為理想的方法。

Verilog HDL介紹

Verilog HDL是一種硬件描述語(yǔ)言，是一種以文本形式來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語(yǔ)言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。 Verilog HDL和VHDL是目前世界上最流行的兩種硬件描述語(yǔ)言，都是在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)出來(lái)的。前者由Gateway Design Automation公司開(kāi)發(fā)。兩種HDL均為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。

Verilog HDL就是在用途最廣泛的C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種硬件描述語(yǔ)言，它是由GDA公司的PhilMoorby在1983年末首創(chuàng)的，最初只設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真與驗(yàn)證工具，之后又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時(shí)序分析工具。1985年Moorby推出它的第三個(gè)商用仿真器Verilog-XL,獲得了巨大的成功，從而使得Verilog HDL迅速得到推廣應(yīng)用。1989年CADENCE公司收購(gòu)了GDA公司，使得VerilogHDL成為了該公司的獨(dú)家專利。1990年CADENCE公司公開(kāi)發(fā)表了Verilog HDL,并成立LVI組織以促進(jìn)Verilog HDL成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE Standard 1364-1995.

Verilog HDL的最大特點(diǎn)就是易學(xué)易用，如果有C語(yǔ)言的編程經(jīng)驗(yàn)，可以在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)很快的學(xué)習(xí)和掌握，因而可以把Verilog HDL內(nèi)容安排在與ASIC設(shè)計(jì)等相關(guān)課程內(nèi)部進(jìn)行講授，由于HDL語(yǔ)言本身是專門面向硬件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，這樣的安排可以使學(xué)習(xí)者同時(shí)獲得設(shè)計(jì)實(shí)際電路的經(jīng)驗(yàn)。與之相比，VHDL的學(xué)習(xí)要困難一些。但Verilog HDL較自由的語(yǔ)法，也容易造成初學(xué)者犯一些錯(cuò)誤，這一點(diǎn)要注意。

l 小波濾波器的設(shè)計(jì)

對(duì)于小波函數(shù)，要求它具有正交性、緊支集、對(duì)稱性和平滑性。正交性可以使變換無(wú)冗余；緊支集則帶來(lái)優(yōu)良的空間分辨率；對(duì)稱性保證了與其對(duì)應(yīng)濾波器的相位為線性；平滑性可以產(chǎn)生較小的失真。這樣使離散二進(jìn)小波變換受到很大的限制，為此，人們提出一種雙正交的小波變換。本文設(shè)計(jì)小波濾波器正是基于雙正交小波變換的一種雙通道完全重構(gòu)濾波器，因此可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解后實(shí)現(xiàn)精確重構(gòu)，所以對(duì)信號(hào)的濾波有很好的作用。由于它具有正變換二元上抽樣采樣和反變換二元下抽樣采樣特性，在進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)時(shí)可以將雙正交小波濾波器設(shè)計(jì)成具有多相結(jié)構(gòu)的雙通道完全重構(gòu)濾波器。雙正交小波變換可以看成原始信號(hào)通過(guò)一系列高低通濾波器濾波并經(jīng)過(guò)抽樣后所得到的結(jié)果，重構(gòu)過(guò)程與此相反。為了使變換后的信號(hào)能夠完全重建，須滿足Y（n）=x-kX（n），在這里取k=1。雙正交小波濾波器分解和重構(gòu)過(guò)程如圖1所示。



設(shè)G（z），H（z）分別為分解低通，高通濾波器，下采樣后用H（z）濾波等價(jià)于先用H（z2）濾波，然后下采樣，所以：



其中：Ge和Go分別是G（z）的偶數(shù)項(xiàng)和奇數(shù)項(xiàng)，He和H。分別是H（z）的偶數(shù)項(xiàng)和奇數(shù)項(xiàng)。根據(jù)式（1），式（2）可以建立雙正交小波濾波器的多相結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。



下面對(duì)雙正交小波濾波器用VerilogHDL進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)：



對(duì)于雙正交小波濾波器的部件Ge，Go，He，Ho設(shè)計(jì)，采用行為描述方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。VerilogHDL行為描述語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化和過(guò)程性的語(yǔ)言，其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)非常適合于算法級(jí)和RTL級(jí)的模型設(shè)計(jì)。在Veril—ogHDL語(yǔ)言中行為描述分為算法和RTL兩種。算法級(jí)：用語(yǔ)言提供的高級(jí)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)算法的運(yùn)行模型。RTL級(jí)：描述數(shù)據(jù)在寄存器之間的流動(dòng)和如何處理，控制這些數(shù)據(jù)的流動(dòng)，采用改進(jìn)的DA算法（如圖3所示）。DA算法完成一次濾波所需要B次的累加也就是B個(gè)時(shí)鐘周期完成一次運(yùn)算，B位輸入數(shù)據(jù)的位寬。它的查找表（LUT）的大小是由濾波器的階數(shù)N決定的，共需要2N個(gè)查找表單元，如果系數(shù)N過(guò)多，用單個(gè)LUT不能夠執(zhí)行全字查找則可把系數(shù)分組，利用部分表并將結(jié)果相加，為了簡(jiǎn)單的闡述算法，在此系數(shù)只分了2組，每個(gè)單元的位寬是由濾波器的系數(shù)的量化決定的。Ge，Go，He，Ho四個(gè)濾波器雖然長(zhǎng)度不同，但具有相同的電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。





計(jì)算控制器用于控制濾波單元中移位寄存器移位，累加器的循環(huán)周期和計(jì)算輸出，并控制移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入。

2 利用VerilogHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)以上功能

2.1 用VerilogHDL語(yǔ)言進(jìn)行算法建模

計(jì)算機(jī)控制器的veril—ogHDL模型：

寄存器組中每個(gè)寄存器的位數(shù)為0，1，…，num一1。

2.2 定制ROM

QuartusⅡ包含有許多有用的LPM模塊，它們是復(fù)雜或高級(jí)系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分，可以與QuartusⅡ普通設(shè)計(jì)文件一起使用，該文使用“Tools”菜單下的MegaWizardPlug—In Manager命令定制ROM的元件。如圖5所示。



2.3 用VerilogHDL進(jìn)行數(shù)據(jù)流建模

濾波器的建模過(guò)程如下：



3 驗(yàn)證仿真

利用Altera公司的QuartusⅡ7.2軟件內(nèi)部帶有仿真器對(duì)濾波器的VerilogHDL模型進(jìn)行波形仿真，通過(guò)建立正確的Vector Waveform File就可以開(kāi)始仿真了。如圖6所示。



通過(guò)QuartusⅡ的波形仿真功能，對(duì)輸入輸出進(jìn)行波形仿真，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行定量分析。通過(guò)時(shí)序分析和功能分析結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的完善。在仿真中，in—put濾波器輸入數(shù)據(jù)，output濾波器輸入數(shù)據(jù)x0，x1，x2，x3，x4為移位寄存器組中寄存器，count為控制計(jì)數(shù)器，table-in為流水線寄存器。所得結(jié)果如圖6所示。經(jīng)驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)算結(jié)果一致。所以對(duì)于大多數(shù)連續(xù)的LTI系統(tǒng)都可以采用以上方法進(jìn)行分析，但是他也有局限性：對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)分析，它無(wú)能為力；只適合分析一維變量，對(duì)于多維變量，它無(wú)能為力；可采用狀態(tài)變量分析方法；就精確度來(lái)說(shuō)，這種分析方法不是很高。

盡管連續(xù)LTI系統(tǒng)有很多缺點(diǎn)，但是通過(guò)對(duì)LTI系統(tǒng)的分析可以培養(yǎng)系統(tǒng)建模和求解能力，為以后分析其他系統(tǒng)作參考。