基于DSPBuilder的FIR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，都要使用濾波器，數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理（DSP，DigitalSignalProcessing）中使用最廣泛的一種器件。常用的濾波器有無限長(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[1]，其中，FIR濾波器能提供理想的線性相位響應(yīng)，在整個(gè)頻帶上獲得常數(shù)群時(shí)延從而得到零失真輸出信號(hào)，同時(shí)它可以采用十分簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使FIR濾波器成為明智的設(shè)計(jì)工程師的首選，在采用VHDL或VerilogHDL等硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，由于程序的編寫往往不能達(dá)到良好優(yōu)化而使濾波器性能表現(xiàn)一般。而采用調(diào)試好的IPCore需要向Altera公司購(gòu)買。筆者采用了一種基于DSPBuilder的FPGA設(shè)計(jì)方法，使FIR濾波器設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單易行，并能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 FIR濾波器介紹

2.1 FIR濾波器設(shè)計(jì)的原理

FIR濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式可用差分方程（1）來表示:

其中:r是FIR的濾波器的抽頭數(shù)；b（r）是第r級(jí)抽頭數(shù)（單位脈沖響應(yīng)）；x（n-r）是延時(shí)r個(gè)抽頭的輸入信號(hào)。

設(shè)計(jì)濾波器的任務(wù)就是尋求一個(gè)因果，物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)函數(shù)H（z），使其頻率響應(yīng)H（ejw）滿足所希望得到的頻域指標(biāo)。

2.2 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)，最后采用有限的精度算法實(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輸入序列位寬為9位（最寬位為符號(hào)位）。

3 DSPBuilder介紹

DSPbuilder是Altera推出的一個(gè)DSP開發(fā)工具，它在QuartusⅡFPGA設(shè)計(jì)環(huán)境中集成了Mathworks的Matlab和simulinkDSP開發(fā)軟件[2]。

以往Matlab工具的使用往往作為DSP算法的建模和基于純數(shù)學(xué)的仿真，其數(shù)學(xué)模型無法為硬件DSP應(yīng)用系統(tǒng)直接產(chǎn)生實(shí)用程序代碼，仿真測(cè)試的結(jié)果也僅僅是基于數(shù)學(xué)算法結(jié)構(gòu)。而以往FPGA所需的傳統(tǒng)的基于硬件描述語(yǔ)言（HDL）的設(shè)計(jì)由于要考慮FPGA的硬件的δ延時(shí)與VHDL的遞歸算法的銜接，以及補(bǔ)碼運(yùn)算和乘積結(jié)果截取等問題，相當(dāng)繁雜。

對(duì)DSP是Builder而言，頂層的開發(fā)工具是MatLab/Simulink整個(gè)開發(fā)流層幾乎可以在同一環(huán)境中完成，真正實(shí)現(xiàn)了自定向下的設(shè)計(jì)流程，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(yǔ)言代碼的轉(zhuǎn)換、RTL（邏輯綜合RegisterTransferLevel）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)設(shè)計(jì)流程一氣呵成地將系統(tǒng)描述和硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融為一體，充分顯示了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

4 FIR數(shù)字濾波器的DSPBuilder設(shè)計(jì)

4.1 FIR濾波器參數(shù)選取

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FlR濾波器幅頻特性如圖1，由于浮點(diǎn)小數(shù)FPGA中實(shí)現(xiàn)比較困難，且代價(jià)太大，因而需要將濾波器的系數(shù)和輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，其中量化后的系數(shù)在Matlab主窗口可直接轉(zhuǎn)化，對(duì)于輸入數(shù)據(jù)，可乘上一定的增益用Altbus控制位寬轉(zhuǎn)化為整數(shù)輸入。

                    

4.2 FIR濾波器模型建立

根據(jù)FIR濾波器原理，可以利用FPGA來實(shí)現(xiàn)FIR濾波電路，DSPBuilder設(shè)計(jì)流程的第一步是在Matlab/Simulink中進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，即在Matlab的Simulink環(huán)境建立一個(gè)MDL模型文件，用圖形方式調(diào)用AlteraDSPBuilder和其他的Simulink庫(kù)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），如圖2所示。

     

                

4.3 基于DSPBuilder的濾波器仿真

輸入信號(hào)分別采用頻率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3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)，進(jìn)一步通過頻譜儀可看出f2得到了較大的抑制，與條件規(guī)定的fc=10.8kHz低通濾波器相符合，至此完成了模型仿真。

                        

4.4 運(yùn)用Modelsim進(jìn)行功能仿真

在Simulink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，而在Matlab的Simulink中的模型仿真是算法級(jí)（系統(tǒng)級(jí)）的，是針對(duì)算法實(shí)現(xiàn)的，這二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，這就是需要針對(duì)生成的RTL級(jí)VHDL代碼進(jìn)行功能仿真。

在此，筆者利用Modelsim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4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QuartusⅡ環(huán)境下進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

                              

4.5 在FPGA器件中實(shí)現(xiàn)FIR濾波器

在QuartusⅡ環(huán)境中打開DSPBuilder建立的QuartusⅡ項(xiàng)目文件firl.qpf。在QuartusⅡ中進(jìn)行再一次仿真，由此可以看到符合要求時(shí)序波形，然后指定器件引腳并進(jìn)行編譯，最后下載到FPGA器件中，就可以對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，加上CLCOK信號(hào)和使能信號(hào)，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)，就可以在示波器上看到濾波以后的結(jié)果，需要設(shè)計(jì)不同的濾波器電路時(shí)，僅修改FIR濾波模型文件就可以實(shí)現(xiàn)，這樣不僅避免了繁瑣的VHDL語(yǔ)言編程，而且便于進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)束語(yǔ)

在利用FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波器的開發(fā)時(shí)，采用DSPBuilder作為設(shè)計(jì)工具能加快進(jìn)度。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，受精度、速度和器件選擇方面的影響，可以對(duì)其轉(zhuǎn)化的VHDL進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。