Oficina NCO e Filtros digitais

Esta página traz um roteiro para a geração de sinais senoidais e a construção de filtros digitais em FPGAs Altera, usando o Quartus II. O sistema criado (figura abaixo) gera sinais senoidais de 1 MHz e 4 MHz, soma os dois sinais e realiza uma filtragem passa baixas, visando manter apenas o sinal de 1 MHz. Está prevista também a construção de um divisor de clock para realizar uma subamostragem nos sinais. Todos os blocos utilizaram a ferramenta nativa do Quartus II, o MegaWizard Plug-In Manager. O sistema foi desenvolvido no kit didático Altera DE2-115, com um FPGA Cyclone IV EP4CE115F29C7.

Sistema desenvolvido

• Crie um projeto e adicione um arquivo do tipo Block Diagram/Schematic File

Geração dos sinais senoidais

Nesta seção, dois sinais senoidais serão criados, um de 1 MHz e outro de 4 MHz

• Abrir o MegaWizard Plug-In Manager (Menu Tools)
• Página 1: Selecionar Create a new custom megafunction variation
• Página 2: Escrever na lupa nco, escolher a pasta para os arquivos e incluir um nome (sugestão: nco1MHz e nco4MHz)

Selecionando o MegaWizard NCO

• Na janela do NCO, clique em Step1: Parameterize
• Em Magnitude Precision, escolha o número de bits por amostra desejado para o sinal senoidal (sugestão: 10)
• Em Clock Rate, escolha o clock da placa (no caso, 50 MHz). Digite o valor e tecle ENTER
• Em Desired Output Frequency, escolha a frequência desejada para o sinal senoidal (1 MHz). Digite o valor e tecle ENTER
• Anote o valor disponibilizado em Phase Increment Value (Para 1MHz, 85899346). Você pode dar dois cliques no valor e usar o CTRL+C para copiar. Esse número pode ser encontrado também através da equação:

$PIV=\left({{DOF} \over {CR}}\right)\times {PAP}$

onde as siglas se referem às iniciais dos parâmetros

NCO - Parameterize

• No canto superior direito da aba Implementation, marque a opção Single Output
• Clique em Finish para encerrar a parametrização
• Clique em Generate para gerar o bloco
• Quando o processamento encerrar, clique em Exit e selecione Yes quando questionado sobre adicionar o arquivo gerado ao projeto
• De volta à janela padrão do Quartus II repare que o arquivo nco1MHz.qip foi adicionado ao projeto

NCO adicionado ao projeto

O mesmo procedimento deve ser feito para o NCO de 4 MHz (Phase Increment Value 343597384)

Com os dois NCOs criados, adicione-o ao projeto. Repare que ele possui entradas de clock, um reset ativo baixo (repare no "_n" no nome da entrada), um enable e uma entrada de 32 bits chamada phi_inc_i[31..0]. É através dessa entrada que o NCO é controlado, e a constante Phase Increment Value deve ser passada. Para isso, use um outro MegaWizard, o LPM_CONSTANT. Ao fazer sua configuração, use o nome const1MHz e const4MHz. Sua parametrização é simples, com o número de bits da constante (32, para estar de acordo com o esperado pelo NCO), e o seu valor em decimal (85899346 e 343597384). Na página Summary, marque todos os tipos de arquivo disponíveis.

Adicione os componentes ao projeto e realize as ligações como abaixo:

Ligações realizadas para o funcionamento do NCO

Compile o projeto, e no Pin Planner (menu Assignments), configure apenas a porta clk50MHz, no Location PIN_Y2

Configurando o SignalTap para visualização dos sinais gerados

• Adicione um arquivo novo ao projeto, e no tipo do arquivo, selecione SignalTap II Logic Analyzer File
• Na aba Setup, dê um duplo-clique na área em branco

• Se ainda não estiver selecionado, clique no botão para abrir a seção de mais opções
• Em Filter, selecione SignalTap II: pre-synthesis
• Clique no botão List
• Na janela Nodes Found, selecione os sinais (use CTRL):

• seno1MHz
• seno4MHz
• valid_seno1MHz
• valid_seno4MHz

• Jogue para a direita com o botão >
• Clique em OK

• Na janela Signal Configuration, seção Clock, clique no botão ... e use o mesmo procedimento para encontrar o sinal clk50MHz
• Salve o arquivo com o nome stp2.stp

Compile o projeto e faça a programação da placa. Abra o arquivo stp2.stp. Caso necessário, faça a configuração correta da JTAG, podendo usar o botão Scan Chain.

Configuração da JTAG no SignalTap II

Clicando no botão , o SignalTap inicia a captação de informações. Os sinais senoidais precisam ainda ser configurados de acordo com o tipo de dado. Pare a captação e clique com o botão direito em cada um, e em Bus Display Format, selecione Signed Line Chart. Na barra superior da ferramenta, clique com o botão direito e escolha Time Units. Digite o valor 50 e selecione MHz no menu. Na mesma barra superior, clique e arraste a barra temporal para fechar um período da onda mais lenta. Repare que ela possui 1 us, equivalente à uma onda de 1 MHz.

Sinais senoidais visualizados no SignalTap II

Somando os dois sinais

Os sinais senoidais usam bit de sinal obtido via complemento de dois. Para somar os dois sinais, acrescentaremos um bit à representação, e usaremos um MegaWizard para realizar a soma, o LPM_ADD_SUB. Dê ao bloco o nome soma11bits

• Escolha o número de bits dos sinais para 11
• Na aba General 2, mude o tipo da adição para Signed
• Na aba Summary, selecione todos os arquivos disponíveis

Ao adicionar o somador no projeto, puxe uma derivação dos fios de saída de cada sinal senoidal, dando o nome de s1[9..0] e s4[9..0]. Nas portas de entrada do somador, ligue à cada uma das derivações, repetindo bit mais significativo. Para isso, dê os nomes s1[9],s1[9..0] e s4[9],s4[9..0]. Crie uma porta de saída de nome soma[10..0].

Sistema de soma dos sinais senoidais

Após isso, compile o projeto e adicione a porta soma ao SignalTap II. Compile novamente, faça a programação, e inicie a captura de sinais no SignalTap II. Configure a exibição do sinal de soma da mesma forma que os sinais senoidais.

Sinais senoidais somados

Criando o filtro no MATLAB

Realizaremos a filtragem do sinal de soma, mantendo apenas o sinal de 1 MHz. Para isso, um filtro passa baixas de frequência de corte de 2,5 MHz será utilizado. Os coeficientes do filtro serão calculados no MATLAB, usando a ferramenta fdatool.

• Abra a ferramenta com o comando fdatool
• No quadro Frequency Specifications, mude a unidade para MHz
• Digite os seguintes valores:

• Fs: 50
• Fpass: 1.5
• Fstop: 3.5

• Clique em Design Filter
• Com o filtro gerado, clique em File -> Export...
• Em Export To, selecione Coefficient File (ASCII)
• Clique em Export, e selecione o local e o nome do arquivo salvo
• Abra o arquivo gerado usando o gedit, e limpe tudo o que não é coeficiente (inclusive linhas em branco)
• Vá no menu e clique em Localizar e substituir...
• Pesquise por "\n" e substitua por ","
• Pesquise por " " e substitua por vazio. Agora o arquivo possui apenas uma linha, com os coeficientes separados por vírgula
• Salve o arquivo com o nome filtroPB.txt

Inserindo o filtro no projeto

De volta ao Quartus II, abra o MegaWizard e procure por FIR, selecionando na lista o FIR Compiler II v13.0. Use o nome filtroPB1MHz.

• Na janela de especificação do filtro, repare na linha File Path, e clique no botão Browse
• Selecione o arquivo filtroPB.txt (caso não apareça opções de navegação pelo sistema de arquivos, digite ou cole o caminho completo para o arquivo)
• Aplique e repare que a curva do filtro se alterou
• Na janela Input/Output Options, altere o Input Bit Width para 11

Repare nas opções de saída que o sinal terá 25 bits, mas há opções de truncar ou saturar um número específico dos bits mais significativos e dos bits menos significativos (Configurações Output MSB Rounding, MSB Bits to Remove, Ouput LSD Rounding e LSB Bits to Remove). Por enquanto, estas configurações serão mantidas assim mesmo.

Opções de saída do FIR Compiler II

• Na janela de opções de implementação, altere a especificação de frequência de Clock e de amostragem para 50
• Clique em Finish

Depois de adicionar o filtro no projeto, faça as ligações como abaixo:

• Porta clk no sinal clk
• Portas reset_n e ast_sink_valid no sinal v
• Cada porta de saída do bloco numa porta de saída

Interligação das portas do filtro

Depois de compilar, programar e capturar sinais no SignalTap II, repare que a saída do filtro se encontra estranha, como se estivesse atenuada.

Sinal filtrado

Isso acontece devido à modificação no número de bits do sinal devido às multiplicações realizadas no filtro. Ao abrir a composição do sinal filtro, percebemos que os bits de número 20 a 24 se repetem.

Composição do sinal de saída do filtro

Assim, descartamos os bits 21 a 24, mantendo o bit 20 como bit de sinal. Isso é feito na aba Setup do SignalTap II. Selecione os bits, delete, recompile o projeto, reprograme a placa e capture novamente os sinais. O mesmo procedimento pode ser feito com os bits menos significativos, visando adequar o sinal de saída com o número de bits desejados.

Sinal de saída do filtro com truncamento de 4 MSB e 11 LSB

O descarte de bits realizado afetou apenas a visualização no SignalTap II. Para alterar efetivamento o sinal de saída do filtro, a interface de truncamento do MegaWizard pode ser usada, ou pode ser feita uma derivação dos sinais desejados na saída do filtro.

Fazendo uma subamostragem dos sinais

Pode ser útil trabalhar com alterações na taxa de amostragem dos sinais. Para isso, um divisor de clock pode ser usado. Usaremos as ferramentas do MegaWizard para realizar essa tarefa.

• No MegaWizard, selecione o LPM_COUNTER, dando o nome clk_count
• Na aba Optional Inputs, adicione uma entrada síncrona Set, marque a opção Set to e digite 0
• Na aba Summary, adicione todos os arquivos disponíveis
• Adicione o sistema ao projeto

• De volta ao MegaWizard, selecione o LPM_COMPARE, dando o nome clk_comp
• Na aba General 2, marque que a entrada datab é um valor constante, digitando na caixa o valor decimal 1
• Na aba Summary, adicione todos os arquivos disponíveis
• Adicione o sistema ao projeto

• Mais uma vez no MegaWizard, selecione o LPM_MUX, dando o nome mux1bit
• Na aba Summary, adicione todos os arquivos disponíveis
• Adicione o sistema ao projeto

Faça as ligações dos blocos de acordo com a figura abaixo.

Ligação dos blocos do divisor de clock

Configure no Pin Planner a porta clk_select para o pino PIN_AB28. Esse pino é referente à chave SW0 do kit DE2_115. Com a compilação, a execução permite que o clock seja escolhido através da chave SW0. A onda subamostrada pode ser vista no SignalTap II