ディジタル信号処理システム FPGAによる実装－最小限かつ必須のテクニックをマスタ！【オンライン限定セミナ】
ディジタル信号処理システム FPGAによる実装－最小限かつ必須のテクニックをマスタ！【オンライン限定セミナ】
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【開催日】2023年6月15日(木) 10:00-17:00 1日コース
【セミナNo.】ES23-0031 【受講料】29,000円(税込)
【会場】オンライン限定セミナ
【セミナNo.】ES23-0031 【受講料】29,000円(税込)
【会場】オンライン限定セミナ
※本セミナはZoomを使ったオンライン限定セミナです．
詳細は，オンライン限定セミナについてをお読みください．
FPGAの強みの一つに「並列動作」がある．オーディオ用のディジタル・フィルタを一つ設計して実装した後「ステレオ化（2チャネル化）」が必要になったとしても，基本的にHDLをコピペすれば勝手に2チャネル並列動作してくれる．
本セミナではIIR/FIRフィルタをXilinx社のFPGA（Zynq）に実装する．IIRの場合はBiquadと呼ばれる2次IIRフィルタを縦続接続し，FIRの場合はRAM/ROMに大量のデータ/係数を格納して性能を上げる．まずはそのような回路を達成するHDLの記述について説明する．
HDLの検証としては，まず論理シミュレーションを行う．これによりFPGA実装前にバグの大部分をつぶしておく．FPGA実装後に思うように動かない場合は，ロジック・アナライザで内部信号を観測してデバッグする．この二つはFPGA開発において必要最低限の手順である．
本セミナではZynqのロジック部のみを使用する．ARMやMicroBlazeといったFPGA内蔵マイコンは使用しないので，開発ツールはVivadoのみとなる（Vitisは使わない）．また，パソコンからディジタル・フィルタへ信号入力し，出力をWindowsアプリで観測する．比較的低スペックなパソコン1台でHDL開発から実装，デバッグ，評価ができるように工夫する．
詳細は，オンライン限定セミナについてをお読みください．
FPGAの強みの一つに「並列動作」がある．オーディオ用のディジタル・フィルタを一つ設計して実装した後「ステレオ化（2チャネル化）」が必要になったとしても，基本的にHDLをコピペすれば勝手に2チャネル並列動作してくれる．
本セミナではIIR/FIRフィルタをXilinx社のFPGA（Zynq）に実装する．IIRの場合はBiquadと呼ばれる2次IIRフィルタを縦続接続し，FIRの場合はRAM/ROMに大量のデータ/係数を格納して性能を上げる．まずはそのような回路を達成するHDLの記述について説明する．
HDLの検証としては，まず論理シミュレーションを行う．これによりFPGA実装前にバグの大部分をつぶしておく．FPGA実装後に思うように動かない場合は，ロジック・アナライザで内部信号を観測してデバッグする．この二つはFPGA開発において必要最低限の手順である．
本セミナではZynqのロジック部のみを使用する．ARMやMicroBlazeといったFPGA内蔵マイコンは使用しないので，開発ツールはVivadoのみとなる（Vitisは使わない）．また，パソコンからディジタル・フィルタへ信号入力し，出力をWindowsアプリで観測する．比較的低スペックなパソコン1台でHDL開発から実装，デバッグ，評価ができるように工夫する．
●対象聴講者
・FPGAでオーディオ（音声）の信号処理をしたい方
・Zyboを持っている方（7000，Z7-10，Z7-20どれでも可，下の写真参照）
・パソコンでFPGA開発から入出力波形の確認までしたい方（Windows/Linuxどちらも可）
・Vitisを使いたくない方（Vivadoだけをインストールして使いたい）
・ARMやMicroBlazeのようなFPGA内蔵マイコンを使いたくない方（ロジックのみで開発）
・Verilogのみ，またはVHDLのみで開発したい方（両言語を用意する予定）
・I2CをHDL化したい方（マイコンではなくロジックでシリアル通信したい）
・ディジタル・フィルタを多チャネル化，多段化したい方
・FPGA内部のRAM/ROMを使って高次のFIRフィルタを構成したい方
・FPGA実装前に論理シミュレーションでデバッグしたい方
・FPGA実装後にロジック・アナライザでデバッグしたい方
●講演の特徴と目標
・Zybo（7000，Z7-10，Z7-20）にディジタル・フィルタを実装できる
・ツールはVivadoのみでOK（Vitisは必要ない）
・パソコンはWindowsでもLinuxでもOK
・ARMやMicroblazeといったプロセッサは使わない
・ベンダフリーなHDL（他社FPGAに移植も容易）
・VerilogとVHDL両方用意する予定
・パソコンのサウンド・デバイスでフィルタ入出力を測定
・FIR/IIR型フィルタのHDLが分かる
・IIC通信（SSM2603設定用）のHDLが分かる
・音声の信号処理ができる
・フィルタ係数導出法が分かる
・FPGAの強みである並列性，リアルタイム性を実感できる
・メモリ・アクセスと積和演算が中心で応用範囲が広い（AIなど）
●内容
1 Vivadoプロジェクトの作成
ボード（Zybo Z7-020など）の選択
デザイン用HDLファイルを追加
コンパイル（論理合成）が成功することを確認
2 Vivadoで論理シミュレーション（下記URL①）
シミュレーション用HDLファイルを追加
I2C（IIC）通信をシミュレーションで確認
SSM2603（オーディオ・コーデック）の入出力を見る
S-P（シリアル－パラレル），P-S（パラレル－シリアル）変換回路を見る
フィルタの入出力（Low Pass特性）を見る
3 VivadoからFPGAをプログラム（下記URL②）
Clocking Wizardでクロック生成（44.1kHz*256）
ピン・アサイン（どの入出力がどのピンに行くか決める）
コンパイル→ビット・ストリーム生成
フィルタをFPGAにプログラム
フィルタ出力の音を聞いてLow Pass特性を実感
サウンド・デバイス＋SoftOscillo2（Windowsアプリ）で測定
4 Vivadoのロジック・アナライザで内部信号を見る（下記URL③）
ILA（Integrated Logic Analyzer）を追加
ILAに信号やクロックを登録
トリガ設定で見たい瞬間の波形を取り込む
キャプチャ設定で効率よく波形を取り込む
I2C通信，SSM2603の入出力をロジアナで観測
S-P，P-S，フィルタ回路の入出力を観測
5. DSPLinksで係数導出
フィルタ設計用Windowsアプリ-DSPLinks
パラメータの設定
周波数特性を見る
フィルタ係数を整数化する
IIR/FIRフィルタの係数を変えてプログラム→測定
6. IIR/FIRフィルタ回路の説明
ブロック図，差分方程式，伝達関数，回路図
回路図をHDLで表現する
IIRのHDLの注意点（係数の極性，縦続接続の勘所等）
FIRのHDLの注意点（RAMにデータ，ROMに係数，それらの記述等）
積和演算のタイム・チャート（シミュレータ，ロジアナとの比較）
シミュレーション用HDLの説明
7. フィルタ以外の回路の説明
S-P/P-S，I2C通信，チャタリング・ノイズ対策回路の説明
●参考動画
1 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（３）
2 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（４）
3 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（５）
使えるZyboはこの3種類（7000，Z7-10，Z7-20）
パソコン1台あれば実験ができる（音声信号を入出力）
FPGA実装前に論理シミュレーションする
FPGA実装後はロジック・アナライザでデバッグ
フィルタの出力をWindowsアプリ（SoftOscillo2）で測定
・FPGAでオーディオ（音声）の信号処理をしたい方
・Zyboを持っている方（7000，Z7-10，Z7-20どれでも可，下の写真参照）
・パソコンでFPGA開発から入出力波形の確認までしたい方（Windows/Linuxどちらも可）
・Vitisを使いたくない方（Vivadoだけをインストールして使いたい）
・ARMやMicroBlazeのようなFPGA内蔵マイコンを使いたくない方（ロジックのみで開発）
・Verilogのみ，またはVHDLのみで開発したい方（両言語を用意する予定）
・I2CをHDL化したい方（マイコンではなくロジックでシリアル通信したい）
・ディジタル・フィルタを多チャネル化，多段化したい方
・FPGA内部のRAM/ROMを使って高次のFIRフィルタを構成したい方
・FPGA実装前に論理シミュレーションでデバッグしたい方
・FPGA実装後にロジック・アナライザでデバッグしたい方
●講演の特徴と目標
・Zybo（7000，Z7-10，Z7-20）にディジタル・フィルタを実装できる
・ツールはVivadoのみでOK（Vitisは必要ない）
・パソコンはWindowsでもLinuxでもOK
・ARMやMicroblazeといったプロセッサは使わない
・ベンダフリーなHDL（他社FPGAに移植も容易）
・VerilogとVHDL両方用意する予定
・パソコンのサウンド・デバイスでフィルタ入出力を測定
・FIR/IIR型フィルタのHDLが分かる
・IIC通信（SSM2603設定用）のHDLが分かる
・音声の信号処理ができる
・フィルタ係数導出法が分かる
・FPGAの強みである並列性，リアルタイム性を実感できる
・メモリ・アクセスと積和演算が中心で応用範囲が広い（AIなど）
●内容
1 Vivadoプロジェクトの作成
ボード（Zybo Z7-020など）の選択
デザイン用HDLファイルを追加
コンパイル（論理合成）が成功することを確認
2 Vivadoで論理シミュレーション（下記URL①）
シミュレーション用HDLファイルを追加
I2C（IIC）通信をシミュレーションで確認
SSM2603（オーディオ・コーデック）の入出力を見る
S-P（シリアル－パラレル），P-S（パラレル－シリアル）変換回路を見る
フィルタの入出力（Low Pass特性）を見る
3 VivadoからFPGAをプログラム（下記URL②）
Clocking Wizardでクロック生成（44.1kHz*256）
ピン・アサイン（どの入出力がどのピンに行くか決める）
コンパイル→ビット・ストリーム生成
フィルタをFPGAにプログラム
フィルタ出力の音を聞いてLow Pass特性を実感
サウンド・デバイス＋SoftOscillo2（Windowsアプリ）で測定
4 Vivadoのロジック・アナライザで内部信号を見る（下記URL③）
ILA（Integrated Logic Analyzer）を追加
ILAに信号やクロックを登録
トリガ設定で見たい瞬間の波形を取り込む
キャプチャ設定で効率よく波形を取り込む
I2C通信，SSM2603の入出力をロジアナで観測
S-P，P-S，フィルタ回路の入出力を観測
5. DSPLinksで係数導出
フィルタ設計用Windowsアプリ-DSPLinks
パラメータの設定
周波数特性を見る
フィルタ係数を整数化する
IIR/FIRフィルタの係数を変えてプログラム→測定
6. IIR/FIRフィルタ回路の説明
ブロック図，差分方程式，伝達関数，回路図
回路図をHDLで表現する
IIRのHDLの注意点（係数の極性，縦続接続の勘所等）
FIRのHDLの注意点（RAMにデータ，ROMに係数，それらの記述等）
積和演算のタイム・チャート（シミュレータ，ロジアナとの比較）
シミュレーション用HDLの説明
7. フィルタ以外の回路の説明
S-P/P-S，I2C通信，チャタリング・ノイズ対策回路の説明
●参考動画
1 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（３）
ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（３）
2 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（４）
ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（４）
3 ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（５）
ZYBO Z7-20でデジタル信号処理（５）
使えるZyboはこの3種類（7000，Z7-10，Z7-20）
パソコン1台あれば実験ができる（音声信号を入出力）
FPGA実装前に論理シミュレーションする
FPGA実装後はロジック・アナライザでデバッグ
フィルタの出力をWindowsアプリ（SoftOscillo2）で測定
【受講者が持参するもの】
オンライン限定で基本的に実習なしだが，パソコンにVivadoをインストールしておくと講師と一緒にシミュレーションやコンパイルができる．Zybo（7000，Z7-10，Z7-20）があれば，プログラミングやロジック・アナライザによるデバッグができる．
オンライン限定で基本的に実習なしだが，パソコンにVivadoをインストールしておくと講師と一緒にシミュレーションやコンパイルができる．Zybo（7000，Z7-10，Z7-20）があれば，プログラミングやロジック・アナライザによるデバッグができる．
【講師】
岩田 利王 氏〔株式会社 デジタルフィルター 代表取締役〕
音声・画像などのデジタル信号処理システム，VHDL/VerilogによるFPGA（Xilinx, Intel），dsPIC, ARM Cortex，MSP430等マイコンシステム，ラズベリーパイ，Arduino，Windowsアプリケーション，スマートフォンアプリ（Android/iPhone），プリント基板などの開発に従事．「実践ディジタル・フィルタ設計入門」，「dsPIC基板で始めるディジタル信号 処理」，「FPGAスタータ・キットで初体験!オリジナル・マイコン作り」，「FPGAパソコンZYBOで作るLinux I/Oミニコンピュータ」などCQ出版社から著書多数 ．
講師サイト：http://digitalfilter.com/
岩田 利王 氏〔株式会社 デジタルフィルター 代表取締役〕
音声・画像などのデジタル信号処理システム，VHDL/VerilogによるFPGA（Xilinx, Intel），dsPIC, ARM Cortex，MSP430等マイコンシステム，ラズベリーパイ，Arduino，Windowsアプリケーション，スマートフォンアプリ（Android/iPhone），プリント基板などの開発に従事．「実践ディジタル・フィルタ設計入門」，「dsPIC基板で始めるディジタル信号 処理」，「FPGAスタータ・キットで初体験!オリジナル・マイコン作り」，「FPGAパソコンZYBOで作るLinux I/Oミニコンピュータ」などCQ出版社から著書多数 ．
講師サイト：http://digitalfilter.com/
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