VHDLで理解しやすい10の移動平均実装コード

VHDLプログラミングにおける移動平均の図解VHDL
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説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

VHDLを利用して、移動平均を実装する方法についての詳細なガイドを提供します。

VHDLは、デジタルシステムのモデリングや合成のための言語として広く利用されていますが、データ解析やシグナル処理のための移動平均の算出も容易に行うことができます。

本記事では、VHDLを用いた移動平均の基本から応用まで、10のコード例を通じて詳しく解説します。

●VHDLと移動平均の基礎知識

○VHDLとは

VHDLは、VHSIC Hardware Description Languageの略であり、デジタルシステムや集積回路の設計・シミュレーションを目的とした言語です。

FPGAやASICの設計において、ハードウェアの動作を詳細に記述するために使用されます。

○移動平均の原理

移動平均は、時系列データを平滑化するための手法の一つです。

具体的には、連続するデータ点の平均値を取ることで、データのノイズや短期的な変動を除去し、長期的なトレンドやパターンを明確にすることができます。

●VHDLを用いた移動平均の実装

○サンプルコード1:基本的な移動平均

このコードでは、シンプルな移動平均を計算する方法を表しています。

この例では、5点のデータに基づく移動平均を算出しています。

entity MovingAverage is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           data_in : in  INTEGER;
           avg_out : out  INTEGER);
end MovingAverage;

architecture Behavioral of MovingAverage is
    signal sum : INTEGER := 0;
    signal data_array : INTEGER_VECTOR(0 to 4) := (others => 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            sum <= sum - data_array(0) + data_in;
            data_array <= data_array(1 to 4) & data_in;
            avg_out <= sum / 5;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは、入力されたデータポイントを累計し、5点のデータの合計を5で割ることで、移動平均を算出しています。

○サンプルコード2:ウィンドウサイズ変更による移動平均

このコードでは、ウィンドウサイズを変更して移動平均を計算する方法を表しています。

この例では、10点のデータに基づく移動平均を算出しています。

-- コードの内容はサンプルコード1と似ていますが、data_arrayのサイズと除算の数値が異なります。
-- 上記のサンプルコードを参考に、適切な変更を加えてください。

サンプルコード1における5点の移動平均とは異なり、このコードでは10点の移動平均が計算されます。

○サンプルコード3:重み付き移動平均

このコードでは、各データポイントに異なる重みを付けて移動平均を計算する方法を表しています。

この例では、最新のデータに大きな重みを、古いデータに小さな重みを付けて移動平均を算出しています。

-- 上記のサンプルコード1, 2を参考に、データポイントに重みを付けた移動平均の計算を実装してください。

重み付き移動平均は、新しいデータの変動を強調し、古いデータの影響を軽減するための手法として使用されます。

○サンプルコード4:二次移動平均

VHDLを利用しての移動平均の実装は多岐にわたりますが、特に注目すべきは「二次移動平均」の計算です。

二次移動平均は、通常の移動平均を2回適用することで得られる平均値です。

この方法は、データのトレンドをさらに滑らかにし、ノイズをさらに低減させるための手法として広く使用されています。

このコードでは、VHDLを使用してデータセットの二次移動平均を計算するための方法を紹介しています。

この例では、10個のデータポイントを取り扱って、その二次移動平均を計算しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity SecondOrderMovingAverage is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           avg_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end SecondOrderMovingAverage;

architecture Behavioral of SecondOrderMovingAverage is
    signal temp_avg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal data_buffer : array(0 to 9) of STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => (others => '0'));
begin
    process(clk)
    variable sum1 : integer := 0;
    variable sum2 : integer := 0;
    begin
        if rising_edge(clk) then
            for i in 0 to 8 loop
                data_buffer(i) <= data_buffer(i+1);
            end loop;
            data_buffer(9) <= data_in;

            -- 一次移動平均
            sum1 := 0;
            for i in 0 to 9 loop
                sum1 := sum1 + conv_integer(data_buffer(i));
            end loop;
            temp_avg <= conv_std_logic_vector(sum1/10, 8);

            -- 二次移動平均
            sum2 := (sum1 + conv_integer(temp_avg)) / 2;
            avg_out <= conv_std_logic_vector(sum2, 8);
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のVHDLコードは、10個のデータポイントに基づいて二次移動平均を計算します。

入力として、8ビットのデータ値(data_in)が与えられるたびに、その移動平均値(avg_out)が出力されます。

一次の移動平均計算の結果がtemp_avgに格納され、その後二次の移動平均計算が行われ、結果がavg_outに送られます。

このコードを適用することで、ある信号の突然の変化やノイズを低減させ、より滑らかな曲線を得ることができます。

デジタルシステムの設計やデータ解析において、このような二次移動平均の実装は非常に価値があります。

実際に上記のVHDLコードをFPGAボード上で実行すると、与えられたデータセットに対して、二次移動平均が計算され、結果がavg_outから出力されることを確認できるでしょう。

これにより、信号の質を向上させることが可能となります。

●VHDLの移動平均応用例

VHDLを使用して移動平均を実装する際の応用例について詳しく解説していきます。

これらの応用例を理解することで、実際のプロジェクトや業務での実装がスムーズに進行します。

○サンプルコード5:ノイズ除去のための移動平均

このコードでは、VHDLを使用して信号からノイズを除去するための移動平均の実装を行っています。

この例では、データにランダムなノイズが含まれている場合に、それを平滑化してクリーンな信号を取得する方法を表しています。

-- ノイズ除去のための移動平均を計算するモジュール
module NoiseReduction(signal_in, signal_out);
  input signal_in;
  output signal_out;
  variable sum: real;
  constant window_size: integer := 5;
  -- 移動平均計算
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + signal_in(i);
  end loop;
  signal_out := sum / window_size;
end module;

この実装において、window_sizeを変更することで、平滑化の度合いを調整することが可能です。

window_sizeが大きいほど、平滑化の度合いが増しますが、応答速度は遅くなります。

○サンプルコード6:信号のピーク検出

このコードでは、VHDLを用いて信号のピーク(最大値)を検出する移動平均の例を紹介しています。

この例では、連続するデータ点の中から最大の値を取得する方法を表しています。

-- 信号のピークを検出するモジュール
module PeakDetection(signal_in, peak_value);
  input signal_in;
  output peak_value;
  variable max_val: real := 0.0;
  -- ピーク検出
  for i in 1 to signal_in'length loop
    if signal_in(i) > max_val then
      max_val := signal_in(i);
    end if;
  end loop;
  peak_value := max_val;
end module;

この実装を使用することで、連続するデータの中で最も大きい値を効果的に取得することが可能となります。

○サンプルコード7:信号の平滑化

このコードでは、VHDLを使って信号を平滑化する移動平均の例を紹介しています。

この例では、データの急激な変化を緩和し、滑らかな信号に変換する方法を表しています。

-- 信号の平滑化を行うモジュール
module SignalSmoothing(signal_in, smoothed_signal);
  input signal_in;
  output smoothed_signal;
  variable sum: real;
  constant window_size: integer := 3;
  -- 平滑化処理
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + signal_in(i);
  end loop;
  smoothed_signal := sum / window_size;
end module;

この実装では、window_sizeの値を調整することで、平滑化の度合いを変更することができます。

○サンプルコード8:トレンド分析のための移動平均

このコードでは、VHDLを用いてデータのトレンドを分析するための移動平均を実装しています。

この例では、一定期間のデータをもとに、そのトレンド(上昇傾向や下降傾向など)を判断する方法を表しています。

-- トレンド分析のための移動平均を計算するモジュール
module TrendAnalysis(signal_in, trend_value);
  input signal_in;
  output trend_value;
  variable sum: real;
  constant window_size: integer := 10;
  -- トレンド計算
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + signal_in(i);
  end loop;
  if (sum / window_size) > signal_in(window_size) then
    trend_value := "UP";
  else
    trend_value := "DOWN";
  end if;
end module;

この実装により、過去のデータを基にしたトレンドの方向を判断することができます。

データの上昇傾向や下降傾向を知ることで、将来の予測や判断材料として利用することができます。

○サンプルコード9:周期的なデータの分析

周期的なデータ、例えば季節性のあるデータや、定期的な波形を持つ信号などを分析する際の移動平均の実装例を紹介します。

この例では、特定の周期で繰り返されるデータの特徴を捉える方法を示しています。

-- 周期的なデ

ータを分析するためのモジュール
module PeriodicDataAnalysis(signal_in, periodic_value);
  input signal_in;
  output periodic_value;
  variable sum: real;
  constant window_size: integer := 20;
  -- 周期的データの分析
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + signal_in(i);
  end loop;
  periodic_value := sum / window_size;
end module;

この実装を用いることで、周期性のあるデータの平均値を計算することが可能となり、その特性をより明確に捉えることができます。

○サンプルコード10:データ流の予測

データの流れや変動を予測するための移動平均の実装例を紹介します。

この例では、過去のデータをもとに、将来のデータの流れや変動を予測する方法を表しています。

-- データ流の予測を行うモジュール
module DataFlowPrediction(signal_in, predicted_value);
  input signal_in;
  output predicted_value;
  variable sum_past: real;
  variable sum_recent: real;
  constant window_size: integer := 10;
  -- 過去のデータと最近のデータを基に予測
  for i in 1 to window_size/2 loop
    sum_past := sum_past + signal_in(i);
  end loop;
  for i in (window_size/2)+1 to window_size loop
    sum_recent := sum_recent + signal_in(i);
  end loop;
  if sum_recent > sum_past then
    predicted_value := "INCREASE";
  else
    predicted_value := "DECREASE";
  end if;
end module;

この実装を使用すると、過去のデータと比較して、最近のデータの流れや変動を判断し、将来のデータの方向性を予測することができます。

●VHDLにおける移動平均の注意点と対処法

VHDLで移動平均を実装する際、幾つかの注意点があります。

適切にコードを実装するために、これらの点を理解して、適切な対処を行うことが重要です。

○桁溢れのリスクとその対処

VHDLで算術演算を行う際、計算結果が指定したビット幅を超えると、桁溢れが発生します。

移動平均を計算する際、累積の合計が大きくなると、このリスクが高まります。

-- 移動平均の計算中に桁溢れが発生するリスクがある例
module RiskOfOverflow(signal_in, average_out);
  input signal_in : std_logic_vector(7 downto 0);
  output average_out : std_logic_vector(7 downto 0);
  variable sum: integer;
  constant window_size: integer := 10;

  -- 移動平均の計算
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + to_integer(unsigned(signal_in(i)));
  end loop;

  average_out := std_logic_vector(to_unsigned(sum/window_size, 8));
end module;

このコードでは8ビットの入力信号を取り扱っており、累積の合計が255を超えると桁溢れが発生します。

対処法としては、計算用の変数のビット幅を増やすことで、桁溢れを防ぐことができます。

例えば、32ビットの変数を使用することで、大きな累積値も安全に扱うことができます。

○浮動小数点の精度とその対処

VHDLにおける浮動小数点の計算は、精度に注意が必要です。

移動平均の計算において小数点以下の値が重要な場合、精度の低下が結果に影響を与える可能性があります。

-- 移動平均の計算中に浮動小数点の精度が問題となる例
module FloatingPointPrecision(signal_in, average_out);
  input signal_in : real;
  output average_out : real;
  variable sum: real;
  constant window_size: integer := 10;

  -- 移動平均の計算
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + signal_in(i);
  end loop;

  average_out := sum / window_size;
end module;

この例では、浮動小数点の計算精度が結果に影響を与える可能性があります。

対処法としては、VHDLの浮動小数点関連のライブラリを使用して、高い計算精度を持つデータ型を使用することが推奨されます。

また、計算途中での四捨五入や丸めを適切に行うことで、精度の低下を防ぐこともできます。

○計算速度の最適化

移動平均の計算は、リアルタイムな信号処理においては高速に行われる必要があります。

特に、大きなウィンドウサイズを持つ移動平均では、計算速度の最適化が重要となります。

-- 大きなウィンドウサイズを持つ移動平均の例
module LargeWindowSize(signal_in, average_out);
  input signal_in : std_logic_vector(15 downto 0);
  output average_out : std_logic_vector(15 downto 0);
  variable sum: integer;
  constant window_size: integer := 100;

  -- 移動平均の計算
  for i in 1 to window_size loop
    sum := sum + to_integer(unsigned(signal_in(i)));
  end loop;

  average_out := std_logic_vector(to_unsigned(sum/window_size, 16));
end module;

この例では、ウィンドウサイズが100と大きいため、計算速度の最適化が求められます。

対処法としては、移動平均の計算を行う際のアルゴリズムの選択や、ハードウェアリソースの効率的な利用を検討することが有効です。

例えば、累積の合計を維持しつつ、古いデータを減算して新しいデータを加算することで、毎回全データを計算することなく、移動平均を効率良く計算することができます。

●移動平均のカスタマイズ方法

移動平均は、その基本的な性質を理解すれば、さまざまな方法でカスタマイズが可能となります。

VHDLにおいても、このカスタマイズの幅広さを活かすことで、様々なアプリケーションへの対応が期待できます。

それでは、VHDLを用いた移動平均のカスタマイズ方法について、具体的なサンプルコードを交えて解説していきます。

○サンプルコード11:エクスポネンシャル移動平均(EMA)

エクスポネンシャル移動平均は、最新のデータに重みを付けることで、反応性を高めた移動平均方法です。

この方法は、市場のトレンドを追う際に特に有効とされています。

このコードでは、エクスポネンシャル移動平均を実装する方法を紹介しています。

この例では、最新のデータにより重みを付けて、移動平均を計算しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity EMA is
    Port ( data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           alpha : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);  -- 重みの係数
           ema_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end EMA;

architecture Behavioral of EMA is
    signal prev_ema : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
begin
    process(data_in, alpha, prev_ema)
    begin
        ema_out <= (alpha * data_in + (256 - alpha) * prev_ema) / 256;
        prev_ema <= ema_out;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードを適用すると、data_inに入力される新しいデータに対して、alphaの値に応じて重みを付けることができます。

この結果、最新のデータ変動に迅速に反応する移動平均が得られます。

特に、alphaの値を大きくすることで、より新しいデータに対する反応性を高めることができます。

○サンプルコード12:中央値移動平均

中央値移動平均は、データの中央値を取得して移動平均を計算する方法です。

この方法は、外れ値の影響を受けにくいため、ノイズの多いデータに対して有効です。

このコードでは、中央値移動平均を計算する方法を紹介しています。

この例では、与えられたデータセットから中央値を取り出し、それを基に移動平均を算出しています。

-- (ここでは簡易のため、具体的な中央値を計算するコードの実装は省略します。実際には、ソートアルゴリズムなどを利用して中央値を計算します。)

中央値移動平均を実装する際には、データセットのソートが必要となるため、その点を考慮する必要があります。

ソートの結果、中央に位置する値が移動平均として出力され、外れ値の影響を受けにくい特性が得られます。

これらのカスタマイズ方法を組み合わせることで、さらに多様な移動平均の計算がVHDLによって実現可能となります。

自分のニーズに合わせて、適切なカスタマイズを行うことで、より高度なデータ分析や信号処理が行えるようになるでしょう。

まとめ

VHDLを用いて移動平均の実装やそのカスタマイズを行う際には、データの特性や目的に応じて最適な方法を選択することが重要です。

本記事では、VHDLを用いた移動平均の基本的な実装方法から応用例、さらにはカスタマイズの方法までを詳細に解説しました。

これを参考に、VHDLでの移動平均の実装がスムーズに行えることを期待しています。