超低频时钟和高频时钟多速率信号处理问题

Question

我现在有80MHz的主时钟，分频出一个低频采样率8Hz时钟。如果我FIR的采样率要是8Hz,那么我应该怎么做呢？能用FIFO+FIR+FIFO的结构吗？

Answer 1

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超低频时钟与高频时钟多速率信号处理方案

问题分析

您需要从80MHz主时钟分频出8Hz低频采样时钟，并以8Hz采样率进行FIR滤波处理。这是一个典型的多速率信号处理场景，涉及高频时钟域到超低频时钟域的转换。

解决方案

1. 时钟分频方案

首先需要从80MHz生成8Hz时钟，分频比为10,000,000:1：

// Verilog 分频器示例
module clk_divider(
    input wire clk_80m,      // 80MHz主时钟
    input wire rst_n,        // 复位信号
    output reg clk_8hz       // 8Hz输出时钟
);


reg [23:0] counter;          // 24位计数器


always @(posedge clk_80m or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        counter <= 24'd0;
        clk_8hz <= 1'b0;
    end else begin
        if (counter == 24'd4_999_999) begin  // 80MHz/(8Hz*2) - 1
            counter <= 24'd0;
            clk_8hz <= ~clk_8hz;
        end else begin
            counter <= counter + 24'd1;
        end
    end
end


endmodule

2. FIFO+FIR结构可行性

可以使用FIFO+FIR+FIFO结构，这是处理多时钟域数据流的经典方案：

高频时钟域 → 输入FIFO → FIR滤波器 → 输出FIFO → 低频时钟域

3. 具体实现方案

3.1 输入FIFO（高频到低频转换）

// 异步FIFO示例（高频80MHz → 低频8Hz）
module async_fifo #(
    parameter DATA_WIDTH = 16,
    parameter FIFO_DEPTH = 32
)(
    input wire wr_clk,       // 80MHz写时钟
    input wire rd_clk,       // 8Hz读时钟  
    input wire wr_en,
    input wire rd_en,
    input wire [DATA_WIDTH-1:0] din,
    output wire [DATA_WIDTH-1:0] dout,
    output wire full,
    output wire empty
);
// 异步FIFO实现代码...
endmodule

3.2 FIR滤波器设计

// 8Hz采样率的FIR滤波器
module fir_filter_8hz(
    input wire clk_8hz,      // 8Hz时钟
    input wire rst_n,
    input wire [15:0] data_in,
    input wire data_valid,
    output reg [15:0] data_out,
    output reg data_ready
);


// FIR系数（示例系数，需根据实际需求设计）
parameter [15:0] coeffs [0:7] = '{
    16'h0100, 16'h0200, 16'h0300, 16'h0400,
    16'h0400, 16'h0300, 16'h0200, 16'h0100
};


// 滤波器实现...
endmodule

3.3 系统集成

module signal_processing_system(
    input wire clk_80m,
    input wire rst_n,
    input wire [15:0] adc_data,
    output wire [15:0] filtered_data
);


wire clk_8hz;
wire [15:0] fifo_out;
wire fifo_empty;
wire fifo_rd_en;


// 时钟分频
clk_divider u_clk_divider(
    .clk_80m(clk_80m),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_8hz(clk_8hz)
);


// 输入FIFO
async_fifo #(
    .DATA_WIDTH(16),
    .FIFO_DEPTH(32)
) u_input_fifo(
    .wr_clk(clk_80m),
    .rd_clk(clk_8hz),
    .wr_en(1'b1),           // 持续写入
    .rd_en(fifo_rd_en),
    .din(adc_data),
    .dout(fifo_out),
    .full(),
    .empty(fifo_empty)
);


// FIR滤波器
fir_filter_8hz u_fir(
    .clk_8hz(clk_8hz),
    .rst_n(rst_n),
    .data_in(fifo_out),
    .data_valid(~fifo_empty),
    .data_out(filtered_data),
    .data_ready(fifo_rd_en)
);


endmodule

注意事项

1. FIFO深度设计：需要根据数据产生和消耗速率计算合适的FIFO深度，避免溢出
2. 时钟域交叉：确保异步FIFO的正确同步处理
3. FIR系数设计：根据8Hz采样率设计合适的滤波器系数
4. 时序约束：需要对跨时钟域路径进行正确的时序约束

替代方案考虑

如果资源允许，也可以考虑：

• 使用多相滤波结构
• 采用CIC滤波器进行采样率转换
• 使用专门的数字信号处理IP核

这种FIFO+FIR+FIFO的结构完全适合您的应用场景，能够有效处理高频到超低频的时钟域转换和信号处理需求。