對FIR數(shù)字濾波器的FPGA實現(xiàn)的研究

　　3 實例設(shè)計與仿真

　　3．1 FIR濾波器的設(shè)計

　　利用Matlab中的FDATool工具設(shè)計一個33階，F(xiàn)s=48kHz，F(xiàn)c=10．8 kHz的FIR濾波器，其幅值、相位響應(yīng)見圖3。為了便于FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)，減小誤差，將濾波器的系數(shù)量化取整后，在FPGA中實現(xiàn)采用的濾波系數(shù)為{-11，14，18，-11，-25，4，32，6，-38，-21，43，45，-47，-96，50，319，457，319，50，-96，-47，45，43，-21，-38，6，32，4，-25，-11，18，14，-11}。

　　3．2 FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)與仿真

　　在Xilinx 10．1 ISE平臺中，選用Virtex-5系列的XC5VSXT50T器件，用Verilog HDL語言設(shè)計串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)的、以及DA結(jié)構(gòu)，并在ModelSim中對3種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)進行仿真。設(shè)計中輸入數(shù)據(jù)的位寬設(shè)為16位，而輸入數(shù)據(jù)在運算處理前位寬擴展到17位。所用仿真激勵為單位階躍響應(yīng)，時鐘周期為Tck=10 ns。ModelSim中的仿真結(jié)果如圖4所示。

　　圖4中依次為改進的串行實現(xiàn)，并行實現(xiàn)和DA實現(xiàn)的仿真結(jié)果，其濾波周期分別為180 ns，10 ns和180 ns。上述設(shè)計的改進串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)和DA結(jié)構(gòu)分別在XC5VSX50T中實現(xiàn)后，所消耗的FPGA內(nèi)部各種資源如表1所示。

　　從表l可以看出，并行實現(xiàn)消耗的資源最多，其次是DA實現(xiàn)，最小是串行實現(xiàn)。而從濾波速度上來看，并行濾波速度最快，1個時鐘周期便可濾波1次；而串行實現(xiàn)速度慢，其濾波周期取決于濾波器的階數(shù)，對17階的對稱濾波器而言，濾波一次占9個時鐘周期，濾波輸出占1個時鐘周期；相對串行實現(xiàn)和并行實現(xiàn)，DA實現(xiàn)的濾波周期取決于處理的數(shù)據(jù)寬度，上述設(shè)計中DA實現(xiàn)的濾波處理數(shù)據(jù)位寬是17位，所以濾波一次占17個時鐘周期，濾波輸出占用1個時鐘周期。

　　4 結(jié)束語

　　在實際應(yīng)用中，當濾波器設(shè)計對濾波速度要求不高時，可采用串行結(jié)構(gòu)或改進串行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這樣可以選取資源較少的器件，降低設(shè)計成本；當對濾波速度有較高要求時，可以考慮采用并行或DA來實現(xiàn)。并行實現(xiàn)濾波周期為時鐘周期，速度快，但消耗的資源多，成本高；DA實現(xiàn)速度較快，消耗的資源較少，成本耗費較低。在數(shù)字多普勒接收機的實現(xiàn)過程中，根據(jù)接收機的性能要求以及所選用的FPGA器件資源，選取最優(yōu)的FlR濾波器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。隨著FPGA查找技術(shù)的發(fā)展，具有較快的濾波速度和消耗較少資源的DA算法在FIR數(shù)字濾波領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。