FIR帶通濾波器的FPGA實現(xiàn)

1、FIR帶通濾波器的FPGA實現(xiàn)時間：2009-11-11 09:14:40 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：石興華，吳光敏引 言    在FPGA應(yīng)用中，比較廣泛而基礎(chǔ)的就是數(shù)字濾波器。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性可分為無限沖擊響應(yīng)(Infinite Impulse Response，IIR)濾波器和有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器。DSP Builder集成了Altera和MatlabSimulink基于FPGA的信號處理的建模和設(shè)計。該工具可以將數(shù)字信號處理算法(DSP)系統(tǒng)表示成為一個高度抽象的模塊，在不降低硬件性能

2、的前提下，自動將系統(tǒng)映射為一個基于FPGA的硬件設(shè)計方案。即支持設(shè)計者在Matlab中完成算法設(shè)計，在Simulink軟件中完成系統(tǒng)集成，然后通過SignalCompiler(模塊名)生成在Quartus軟件中可以使用的硬件描述語言，最終實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計。FIR濾波器是DSPBuilder應(yīng)用中最為常用的模塊之一，在此基于上述基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)了基于模塊的FIR數(shù)字帶通濾波器。 1 基于DSP Builder的濾波系統(tǒng)設(shè)計11 FIR濾波器原理    有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器是由有限個采樣值組成，實現(xiàn)的方式是非遞歸

3、、穩(wěn)定的，在滿足幅頻響應(yīng)要求的同時，可以獲得嚴(yán)格的線性相位特性，因此在高保真的信號處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。    對于一個FIR濾波器系統(tǒng)，它的沖擊相應(yīng)總是有限長的，其系統(tǒng)函數(shù)可記為：最基本的FIR濾波器可表示為：    式中：z(n)是輸入采樣序列；h(n)是濾波器系數(shù)；L是濾波器階數(shù)；y(n)表示濾波器輸出序列，為x(n)和h(n)的卷積。FIR濾波器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。    對于一個4階濾波器子系統(tǒng)其輸出可表示為：        可見在這

4、個子系統(tǒng)中共需要4個延時器，4個乘法單元和一個4輸入的加法器，并可以根據(jù)實際需要選擇調(diào)用子系統(tǒng)構(gòu)成多階濾波器。12 濾波的總體要求及實現(xiàn)121 設(shè)計要求和濾波參數(shù)選取    該帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)為16階FIR數(shù)字帶通濾波器，對模擬信號的采樣頻率fs為1024 kHz，通帶頻率為2444 kHz，上限截止頻率24 kHz，下限截止頻率44 kHz，輸入輸出序列位寬分別是9位、19位。濾波器系數(shù)由濾波器設(shè)計工具FDATools生成。因FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法主要有窗函數(shù)法和等波紋一致逼近法等，比較最佳效果選定Equiripple等波紋法實驗。輸入信號采用DSPBu

5、ilder庫中的增加減少(Increment Decrement)模塊和LUT模塊，分別構(gòu)成一個線性遞增的地址發(fā)生器和正弦查找表模塊。這樣組建一組正弦信號，考慮組建通帶內(nèi)頻率f1=24414 kHz與帶外頻率f2=48828 kHz疊加。之所以選這兩個頻率主要根據(jù)LUT中的信號的步進制即在一個周期(02)中對信號采樣點來決定的。122 帶通濾波器的模型設(shè)計    根據(jù)FIR濾波器原理和4階子系統(tǒng)的輸出公式，在Matlab的Simulink環(huán)境下，調(diào)用Altera DSP Builder庫中的4個 Delay延遲模塊、4個Product乘法模塊、5個9位的Input

6、輸入端口、1個20位的Output輸出端口和一個4輸入的加法器，使9位的輸入序列x(n)和FIR濾波器的系數(shù)h(0)，h(1)，h(2)，h(3)作為輸入，完成4階濾波器子系統(tǒng)。調(diào)用4個這樣的子系統(tǒng)級聯(lián)起來構(gòu)成16階的濾波器。其中，濾波器系數(shù)h(0)，h(1)，h(15)由濾波器設(shè)計工具FDATools生成，系數(shù)與濾波器關(guān)聯(lián)，建立出完整的濾波系統(tǒng)模型。2 Simulink的模型仿真    在Simulink環(huán)境下設(shè)計仿真時間等參數(shù)，運行仿真得到濾波輸出的幅頻相應(yīng)圖和時域圖如圖2，圖3所示。    圖2中縱橫坐標(biāo)分別代表了幅值和頻率值顯

7、示，Magnitude，F(xiàn)requency單位分別是dB(幅值單位也稱衰減倍數(shù))和MHz(橫坐標(biāo)每格單位相比kHz被放大104便于觀察)?？v橫軸每格量為5 dB和50 MHz。從該頻譜圖中可看出，濾波后通帶內(nèi)幅頻曲線相對平緩，帶外衰減較大，由濾波前的連續(xù)幅頻變成了選擇通過的單一幅頻曲線，起到了過濾帶外頻譜的作用。    該圖坐標(biāo)軸的縱橫軸分別代表了幅度值和時間軸。單位分別為十進制數(shù)和s。圖3(a)是兩正弦信號經(jīng)平行加法器合成的波形圖3(b)濾波后的波形?？梢姼哳l信號衰減很大起到了過濾帶外時間離散信號的作用。綜上該帶通濾波器在頻域和時域都實現(xiàn)了相應(yīng)的濾波功能，至此完

8、成了模型仿真。3 在ModeISim中實現(xiàn)RTL級仿真    Simulink中僅實現(xiàn)了算法級的仿真，而ModelSim需要對生成的VHDL代碼進行功能仿真即RTL級仿真。如圖4的波形。    圖4定性表述了6個信號波形。clock為時鐘周期，第二個信號是全局復(fù)位。重點觀察第三、六個信號，分別是輸入信號(加了數(shù)模轉(zhuǎn)換的)的模擬顯示和經(jīng)濾波后輸出信號的模擬顯示。這和Simulink中仿真結(jié)果是一致的。第四個信號是濾波后(加數(shù)模轉(zhuǎn)換)的信號，第五個是最后一個4階濾波子系統(tǒng)的輸出。同樣可設(shè)置ModelSim對應(yīng)的數(shù)字顯示，每個時鐘周期對應(yīng)的

9、數(shù)值即為每個時鐘周期對正弦信號的一個采樣點計算一次的值。4 在Quartus中實現(xiàn)時序仿真    ModelSim中也僅實現(xiàn)RTL級仿真，并不能精確反應(yīng)電路的全部硬件特性。Altera提供自動和手動兩種綜合適配流程，在此選用自動流程在Quartus中進行硬件設(shè)計。設(shè)定990 ns仿真結(jié)果如圖5所示與圖3ModelSim的數(shù)字顯示對應(yīng)信號和結(jié)果均是一致的，只是Quartus的時序仿真更為精確。5 FPGA硬件實現(xiàn)    系統(tǒng)仿真通過后，需轉(zhuǎn)到硬件上加以實現(xiàn)，這是整個DSP Builder設(shè)計中最為關(guān)鍵的一步。Quartus仿真中生成了sof編程文件，用于FPGA編程配置，完成了對開發(fā)板StratixEP2S180特定芯片的編譯和管腳的分配。將sof文件下載到開發(fā)板中，編程模式為USB Blaster相應(yīng)模式為JTAG，用示波器檢測DA輸出，可觀察到實測的輸入輸出波形與仿真結(jié)果均對應(yīng)一致。至此完成了該濾波器完整的FPGA開發(fā)設(shè)計，并驗證了該濾波器達到預(yù)期設(shè)計要求。6 結(jié) 語    這里介紹在Altera DSPBuilder。環(huán)境下基于模型化設(shè)計FIR數(shù)字帶通濾波器的方法，通過模塊化的方法實現(xiàn)了向VHDL硬件描述語言代碼的