基于FPGA的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在信息信號(hào)處理過程中，如對(duì)信號(hào)的過濾、檢測(cè)、預(yù)測(cè)等，都要使用到濾波器，數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中使用最廣泛的一種方法，常用的數(shù)字濾波器有無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器兩種。對(duì)于應(yīng)用設(shè)計(jì)者，由于開發(fā)速度和效率的要求很高，短期內(nèi)不可能全面了解數(shù)字濾波器相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)，需要花費(fèi)很大的精力才能使設(shè)計(jì)出的濾波器在速度、資源利用、性能上趨于較優(yōu)。而采用調(diào)試好的IP核需要向Altera公司購買。本文采用了一種基于DSP Builder的FPGA設(shè)計(jì)方法，以一個(gè)低通的16階FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)為例，通過生成的濾波器頂層模塊文件與A/D模塊文件設(shè)計(jì)，在聯(lián)星科技的NC-EDA-2000C實(shí)驗(yàn)箱上驗(yàn)證了利用該方法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器電路工作正確可靠，能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 FIR濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

數(shù)字濾波器實(shí)際上是一個(gè)采用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性非時(shí)變離散系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)步驟為先根據(jù)需要確定其性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)H（z）逼近所需要的技術(shù)指標(biāo)，最后采用有限精度算法實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)一個(gè)16階的低通FIR濾波器，對(duì)模擬信號(hào)的采樣頻率Fs為48KHz，要求信號(hào)的截止頻率Fc=10.8kHz，輸入序列為寬為9位（最寬位為符號(hào)位）。

1.2 FIR濾波器的參數(shù)選取

設(shè)計(jì)頻率選擇性數(shù)字濾波器時(shí)，通常希望能有近似恒定的頻響幅度，并盡量減小通帶內(nèi)的相位失真，斜率為整數(shù)的線性相位對(duì)應(yīng)于時(shí)域中簡(jiǎn)單的延時(shí)，他在頻域中可將相位失真降低到最小的程度[2]，用Matlab提供的濾波器設(shè)計(jì)的專門工具箱--FDAtool仿真設(shè)計(jì)濾波器，滿足要求的FIR濾波器幅頻特性，如圖1所示。

2 數(shù)字濾波器的DSP Builder設(shè)計(jì)

2.1 DSP Builder介紹

DSP Builer是Altera推出的一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）開發(fā)工具，他在Quartus II FPGA設(shè)計(jì)環(huán)境中集成了Mathworks的Matlab和Simulink DSP開發(fā)軟件[3]。對(duì)DSP Builder而言，包括DSP系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)級(jí)仿真、設(shè)計(jì)模型向VHDL硬件描述語言代碼的轉(zhuǎn)換、RTL（Register Transfer Level，邏輯綜合）級(jí)功能仿真測(cè)試、編譯適配和布局布線、時(shí)序?qū)崟r(shí)仿真直至對(duì)DSP目標(biāo)器件的編程配置，整個(gè)開發(fā)流程幾乎可以在頂層的開發(fā)工具M(jìn)atlab/Simulink同一環(huán)境中完成。

2.2 FIR 濾波器算法模型建立

根據(jù)FIR濾波器原理，可以利用FPGA來實(shí)現(xiàn)FIR濾波電路，DSP Builder設(shè)計(jì)流程的第一步是在Matlab/Simulink中進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，即Matlab的Simulink環(huán)境中建立一個(gè)MDL模型文件，用圖形方式調(diào)用Altera DSP Builder和其他的Simulink庫中的圖形模塊，構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)或算法級(jí)設(shè)計(jì)框圖（或稱Simulink建模）。

2.3 基于DSP Builder的系統(tǒng)級(jí)仿真

輸入信號(hào)采用頻率分別為f1=8KHz和f2=16KHz的兩個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行疊加，其中的仿真波形如圖2所示，從FIR濾波電路的仿真結(jié)果看出，輸入信號(hào)通過濾波器后輸出基本上變成單頻率的正弦信號(hào)，至此完成了模型仿真。

3 基于 FPGA的數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)

3.1 運(yùn)用Modelsim進(jìn)行功能仿真

在DSP Builder中進(jìn)行的仿真是屬于系統(tǒng)驗(yàn)證性質(zhì)的，是對(duì)MDL文件進(jìn)行的仿真，并沒有對(duì)生成的VHDL代碼進(jìn)行過仿真。事實(shí)上，生成VHDL描述是RTL級(jí)的，是針對(duì)具體的硬件結(jié)構(gòu)的，這兩者之間有可能存在軟件理解上的差異，轉(zhuǎn)換后的VHDL代碼實(shí)現(xiàn)可能與MDL模型描述的情況不完全相符，這就需要針對(duì)生成的RTL級(jí)VHDL代碼進(jìn)行功能仿真。

我們利用Modelsim來對(duì)生成的VHDL代碼進(jìn)行功能仿真。設(shè)置輸入輸出信號(hào)均為模擬形式，出現(xiàn)如圖3所示的仿真波形，可以看到這與Simulink里的仿真結(jié)果基本一致。即可在Quartus II環(huán)境下的硬件設(shè)計(jì)[4]。

3.2 在FPGA器件中實(shí)現(xiàn)FIR濾波器

用FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器處理的是數(shù)字信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，首先就要用A/D轉(zhuǎn)化器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣與量化。傳統(tǒng)的方法多數(shù)是用CPU或單片機(jī)完成的，缺點(diǎn)是控制周期長(zhǎng)，速度慢。而利用同步時(shí)序狀態(tài)機(jī)來控制A/D采樣是一種既簡(jiǎn)單可靠，又能顯著提高采樣周期的行之有效的方法。

在Quartus II環(huán)境通過VHDL語言按要求設(shè)計(jì)該狀態(tài)機(jī)并轉(zhuǎn)換為.bsf文件；打開DSP Builder建立的Quartus II項(xiàng)目文件fir.qpf及fir.vhd并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的.bsf文件，由此可以得到對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的模塊，如圖4所示，調(diào)用這兩個(gè)模塊建立新的頂層原理圖文件，在軟件環(huán)境里通過時(shí)序仿真，指定器件管腳、進(jìn)行編譯、最后下載到實(shí)驗(yàn)箱的EP1K10TC100-3器件中。

4 結(jié)語

用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所要求的兩個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，就可以示波器上看到濾波以后的結(jié)果，需要設(shè)計(jì)不同的濾波電路時(shí)，僅修改濾波器模型文件就可以實(shí)現(xiàn)?？梢娫诶肍PGA進(jìn)行數(shù)字濾波器的開發(fā)時(shí)，采用DSP Builder作為設(shè)計(jì)工具能快捷、可靠地設(shè)計(jì)實(shí)用濾波系統(tǒng)。