本文是该系列的第2篇，上一篇介绍了System Generator的基本知识以及软件的安装。本文将以一个简单的数字滤波器的设计为主题，介绍Sysgem Generator的完整设计流程，同时详细介绍使用到的各个block。

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本设计使用到的block

1.Xilinx block：

• Digital FIR Filter（->DSP）：数字滤波器
• Gateway In（->Basic Elements）：数据输入
• Gateway Out（->Basic Elements）：数据输出
• System Generator（->Basic Elements）：系统管理
• FDATool（->DSP）：滤波器设计

2.其它block：

• Sin Wave（Simulink->Sources）：生成正弦波
• Add（Simulink->Math Operations）：加法器
• Zero-Order Hold（Simulink->Discrete）：零阶保持器
• Scope（Simulink->Commonly Used Blocks）：示波器
• Spectrum Analyzer（DSP System Toolbox->Sinks）：频谱分析仪

这里给出了设计中用到的所有block在库中的路径，后文不再提及（同一block会包含在多个库中，为了寻找方便这里只列出一个路径）。

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System Generator设计流程

新建一个文件夹，启动System Generator，建立一个空的simulink模型（sysgen_filter.slx）。设置一个1MHz+9MHz的正弦叠加信号，使用FIR低通滤波器滤除9MHz频率分量，系统采样率为20MHz。

1.生成正弦信号

在库中找到Sine Wave，添加两个到model中，一个产生1MHz正弦波，另一个产生9MHz正弦波。

双击Sine Wave，可以设置正弦波的幅度、电平偏置、频率、初相、采样时间等信息。这里只需要将频率分别设置为1MHz（2*pi*1e6）和9MHz（2*pi*9e6）。两路信号的叠加需要使用加法器，添加一个Add到model中：

“List of signs”设置加法器的输入端口，“++”表示两个输入相加（“+-”则表示A-B）。 为了确保模块输出信号正确，添加一个Scope观察信号波形。双击打开示波器窗口，在View->Configuration Properties:Scope中，将Number of input ports设置为3（观察3路信号）；点击Layout，选择3*1排列方式（每路信号分开显示）：

此时模型的连接图如下所示：

将Simulink仿真时间设置为0.00001（时间太长会导致仿真很慢），点击运行，Simulink窗口的右小角可以观察到运行状态。运行结束后打开Scope：

第一个为1Mhz信号，第三个为9MHz信号，中间为两路信号叠加。接下来设计一个LPF滤除掉9MHz频率分量。

2.数字滤波器设计

我们知道，Simulink中的仿真模型为连续时间系统，数据格式多种多样；而FPGA中为离散时间系统，数据必须用一定的位数进行量化。两者之间必须要进行从连续到离散的转换、数据格式的转换，否则无法进行正确的FPGA设计。Xilinx Blockset中提供了相应的解决方案。 添加一个Gateway In和一个Gateway Out模块到model中，再添加一个Digital FIR Filter模块。按照加法器输出->Gateway In->Digital FIR Filter->Gateway Out的顺序依次连接。双击打开Gateway In模块的属性窗口：

这个模块可以Simulink到FPGA之间的数据转换。将Sample period设置为“1/20e6”（20MHz采样率），完成连续时间到离散时间的转换；设置Out Type完成数据格式的转换。这里保持为默认的二进制带符号数补码、定点数的设置。Quantization中可以设置量化方式为Truncate（截断）或者round（四舍五入）。 Gateway In的设置会自动传递到Gateway In和Gateway Out之间的整个系统中，因此不需要再设置其它模块的采样率与数据格式。 双击Digital FIR Filter：

FIR滤波器的系数可以使用fir1等MATLAB函数设计，也可以使用FDATOOL工具设计。选中“Use FDA Tool as coefficient source”，点击“FDA Tool”按钮，会弹出FDATOOL窗口，设置采样率为20Mhz，通带截止频率1.5MHz，阻带截止频率8.5Mhz，通带衰减0.01dB，阻带衰减100dB，点击“Design”设计后退出。

3.FPGA系统配置

以上仅仅是完成了数字滤波器的设计，但是仍然没有建立起模型与FPGA之间的实质联系。添加System Generator模块到model中，这个block便是配置与FPGA相关的系统参数。这个block的配置会应用到Gateway In和Gateway Out之间的所有模块中。双击打开，切换到Clock标签：

FPGA clock period设置为50ns，Simulink system period设置为1/20e6（都是20Mhz）。Perfor analysis设置为Post Sythesis，Analyzer type设置为Resource，在系统综合后会进行资源使用情况的分析。

4.系统仿真

使用Simulink完成FPGA中的DSP系统设计，最大的好处就是仿真极其方便（包括后面文章会用到的ModelSim协同仿真、硬件协同仿真等特性）。 添加一个Scope观察Gateway Out输出的波形（滤波后波形），再添加两个Spectrum Analyzer观察滤波前后的信号频谱。Spectrum Analyzer这个block必须输入离散的数据，因此在加法器输出后需要经过一个零阶保持器Zero-Order Hold，转换为离散数据后再输入到Spectrum Analyzer中。零阶保持器的采样率设置为1/20e6（20Mhz）。 系统的整体连接框图如下：
注意，虽然Gateway In转换后的数据也是离散的，但是Spectrum Analyzer不能接入到这里，否则会出现错误。Gateway In和Gateway Out之间只能连接其它Xilinx Blockset中的模块。 将仿真时间设置为0.0005（Spectrum Analyzer必须有足够多的采样数据才能计算出频谱），输出信号的波形如下所示：

经过滤波后仅剩下1MHz的单频分量，且数据为离散值。信号滤波前后的频谱对比如下图所示：

可以看到经过滤波后，9Mhz的频率分量有大约100dB的衰减（频谱呈对称性），设计符合预期。

5.将设计导出到FPGA

仿真验证功能正确后，需要将设计导出到FPGA中，这个步骤仍然要借助System Generator这个block。双击打开，切换到Compilation标签下：

这里可以设置使用的开发板（Board，只能选择Xilinx官方开发板）、FPGA芯片（Part），也可以设置导出设计的硬件描述语言（Verilog或VHDL）。点击“Generate”，System Generator会将Gateway In和Gateway Out之间的模块导出到FPGA中。运行结束后，根据前面的设置，弹出了资源分析报告：

在slx同文件夹下，生成netlist文件夹。其中sysgen子文件夹包含了导出的Verilog或VHDL设计文件；ip子文件夹是设计导出的IP核形式；ip_catalog子文件夹包含一个调用该IP核的Vivado的示例工程。

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打开Vivado示例工程

用Vivado打开ip_catalog下的工程，顶层模块代码如下： `timescale 1 ps / 1 ps module sysgen_filter_bd_wrapper (clk, gateway_in, gateway_out); input clk; input [15:0]gateway_in; output [35:0]gateway_out; wire clk; wire [15:0]gateway_in; wire [35:0]gateway_out; sysgen_filter_bd sysgen_filter_bd_i (.clk(clk), .gateway_in(gateway_in), .gateway_out(gateway_out)); endmodule sysgen_filter_bd是调用System Generator导出的IP核的子模块。16Bits输入数据经过滤波后得到36Bits的输出结果。运行RTL ANALYSIS，打开RTL视图，找到最底层：

可以看到其本质上仍然是调用了FIR Compiler IP核来实现数字滤波，只不过我们是在Simulink中完成的设计。在其它工程中可以像示例工程一样调用这个System Generator导出的IP核，来完成特定的DSP系统功能。 理论上经过Simulink中的仿真，已经可以确定设计的正确性。但这是使用System Generator完成的第一个实验，本文仍然在Vivado中进行一次仿真，增强使用者对System Generator设计的信心。使用MATLAB产生一个1MHz+9Mhz的正弦叠加信号，导入到TXT文件中。编写testbench读取txt文件，对信号进行滤波。Vivado中的仿真结果如下图所示：

可以看到经过滤波后，只剩下1Mhz的单频信号，与Simulink中的仿真结果完全一致。
总而言之，从这个实验出发，博主认为在System Generator中完成DSP系统设计与直接在Vivado环境下进行DSP系统设计相比，有两个优点：

1. 更强大、更方便的仿真环境；
2. 系统级设计角度，无需关心RTL设计细节以及一些IP核的具体使用方法。

在后面的文章中将记录更多、更复杂的DSP系统设计。

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FDATool block的使用

前文中我们在Digital FIR Filter block的配置界面直接调用FDATool工具完成FIR滤波器的设计。但是有一些滤波器block，如2n-tap MAC FIR Filter，并没有提供这样一个接口。Xilinx Blockset中单独提供了一个FDATool block，可以提供更广泛的使用。 添加FDATool block到model中，配置完成后点击“Design Filter”。其它模块调用这个FDATool设计的滤波器可以借助两个函数：

• xlfda_numerator(‘FDATool’)：提取滤波器系数的分子
• xlfda_denominator(‘FDATool’)：提取滤波器系数的分母

对于FIR滤波器而言，分母为1，只提取分子即可。如下图所示：


所有滤波器block的系数都可以用这种方式设置。