FPGA器件實現(xiàn)有限沖激響應(yīng)濾波器的方案設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 FPGA器件實現(xiàn)有限沖激響應(yīng)濾波器的方案設(shè)計 一個模擬集成運(yùn)算放大器可實現(xiàn)一個二階濾波器，高階濾波器可由二階濾波器串聯(lián)而成。然而，無源元器件實現(xiàn)濾波器的誤差值為1.5或更高，這需要提高元器件的性能。濾波器的典型的調(diào)試方法是不斷的更換元器件值。而且，運(yùn)算放大器要獲得高的增益帶寬，需要相位漂移保持 或要保持閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，這必然增加工程中實現(xiàn)濾波器的難度。 隨著數(shù)字信號處理的發(fā)展，數(shù)字濾波器比傳統(tǒng)的模擬濾波器在設(shè)計的選擇中更有吸引力。因為數(shù)字系統(tǒng)的信號是數(shù)字量，他相對于模擬濾波器更容易開展濾波代數(shù)運(yùn)算。而且，數(shù)字濾波器沒有模擬濾波器隨時間、溫度、電壓漂移的優(yōu)點(diǎn)。他能

2、很容易地實現(xiàn)過濾低頻信號的設(shè)計目的。還有，數(shù)字濾波器能實現(xiàn)近似的理想響應(yīng)和線性的相位。 2幾種數(shù)字濾波器算法 有許多好的方法確定濾波器的算法。首先，設(shè)計人員估計要設(shè)計的濾波器的性能，由傳遞函數(shù)實現(xiàn)。連續(xù)時間域的傳遞函數(shù)變換成離散時間域的線性差分方程，這個差分方程在Z域的通式如下： 基于FPGA器件實現(xiàn)有限沖激響應(yīng)濾波器的方案設(shè)計 這是沖激傳遞函數(shù)方程。他實際是連續(xù)時間域的濾波器的單位沖激響應(yīng)在Z域的變換式。相反，濾波器的沖激響應(yīng)是Z域的單位沖激函數(shù)的反變換。系數(shù)an和bn決定數(shù)字濾波器的響應(yīng)。改變系數(shù)就能改變?yōu)V波器的響應(yīng)。Z一n和Z一m項表示分支的延遲或鎖存。G（Z）方程表示對輸入信號開展代數(shù)

3、運(yùn)算。輸入信號與do相乘加上采樣值與dl的乘積再加上采樣值與d：的乘積，如此類推。當(dāng)所有N項完成乘積與累加運(yùn)算，則就計算出了輸出值。同時，輸出值被鎖存，分別與b0，b1，b2，bm系數(shù)相乘，然后把乘積累加起來，再與原輸出的累加值相加得出 終的輸出值。這個過程稱作回旋。一個輸出值由每個輸入值計算而得。 設(shè)定濾波器的系數(shù)是設(shè)計濾波器的關(guān)鍵，因為他能設(shè)計出預(yù)計的頻率響應(yīng)。遞歸數(shù)字濾波器或無限沖激響應(yīng)濾波器（InfiniteImpacTIveReacTIon，IIR）是設(shè)計研究方法和模擬濾波器 相近似的典型數(shù)字濾波器。 一種確定系數(shù)的方法是先確定一個能在連續(xù)時間域?qū)崿F(xiàn)Chebyshev，Butterw

4、orth或等紋波的濾波器，然后用Z變換把連續(xù)時間域的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散時間域的傳遞函數(shù)，這樣濾波器系數(shù)就可確定。 第二個常用方法是使用雙邊變換。這個方法的步驟是工程師先設(shè)計一個模擬濾波器，這是為了將來轉(zhuǎn)變數(shù)字濾波器；設(shè)計的模擬濾波器滿足要求的數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)；這個模擬濾波器經(jīng)過5變量的拉普拉斯變換再經(jīng)Z變量的Z變換就轉(zhuǎn)換成了數(shù)字濾波器。 第三種方法稱為Parks-McCcllean法。在這個方法中，帶通濾波器和帶阻濾波器的邊緣和階數(shù)是確定的。沖激響應(yīng)系數(shù)被系統(tǒng)修改以便在每個近似的帶通中獲得一個等紋波性能。使用這種方法，濾波器在階數(shù)方面不是很先進(jìn)。因而需有一個捷徑來確定濾波器的階數(shù)，且這個捷

5、徑能減少通過使用方程來確定一個滿足性能指標(biāo)的階數(shù)。有限沖激響應(yīng)濾波器和無限沖激響應(yīng)濾波器都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。有限沖激響應(yīng)濾波器的性能穩(wěn)定，因為他沒有輸出反應(yīng)量且沖激響應(yīng)是有限的；他的幅度和相位是任意設(shè)定的。另一方面，有限沖激響應(yīng)濾波器通常需要數(shù)量較多的分支抽頭。因而，輸出值需經(jīng)大量的代數(shù)運(yùn)算。他的設(shè)計方法與模擬濾波器的設(shè)計方法不相近似。無限沖激響應(yīng)濾波器需要很少的系數(shù)，但要輸出反應(yīng)使得電路變得復(fù)雜。如果由于數(shù)字運(yùn)算誤差不能選擇適當(dāng)?shù)南禂?shù)，穩(wěn)定的無限沖激響應(yīng)濾波器變得不穩(wěn)定。在設(shè)計數(shù)字濾波器中產(chǎn)生的4種主要誤差，他們都是量化誤差： 輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換量化誤差； 系數(shù)的量化誤差； 由于數(shù)字運(yùn)算，

6、包括溢出產(chǎn)生的量化誤差； 有限循環(huán)量化誤差。 有各種各樣的計算機(jī)軟件幫助工程師設(shè)計濾波器，如美國亞特蘭大信號處理公司的設(shè)計軟件DFDP。 3利用可編程邏輯器件設(shè)計有限沖激響應(yīng)濾波器 圖1為利用可編程邏輯器件設(shè)計有限沖激響應(yīng)濾波器的功能模塊圖。 為了有高的性能和較強(qiáng)的靈活性，在濾波器的設(shè)計中使用可編程邏輯器件。有限的參數(shù)將開展乘法累加的運(yùn)算，分支抽頭將占用硬件大量的物理空間。電路設(shè)計使用一個工作速度為85ns的單口16b乘法累加器，這個器件可工作在雙數(shù)運(yùn)算狀態(tài)和飽和輸出能力。由于器件的微碼根底使得他很容易被可編程邏輯器件控制。 首先，系統(tǒng)必須把N（N=64）個采樣值裝入隊列FIFO（在反應(yīng)發(fā)生之

7、前），否則隊列就裝不滿。計數(shù)器在20RAl0中正常工作。一個6b異步計數(shù)器使用4b。SMP-DN隨時鐘工作（模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成采樣值轉(zhuǎn)換）， 的2b作為紋波計數(shù)器。SMP_DN信號由20RAl0產(chǎn)生，但由模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)。 當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)值為63時，樣本值已被保存在移位保持存放器中；GO信號變?yōu)檎?，系統(tǒng)開始濾波算法運(yùn)算。系統(tǒng)與2個異步的子系統(tǒng)相聯(lián)（模數(shù)轉(zhuǎn)換器、乘法累加器），兩者之間必有一個異步接口。20RAl0用于產(chǎn)生接口信號SMPCON（采樣模式和轉(zhuǎn)換模式）。這個引腳為高電平，系統(tǒng)為采樣模式（SMPCON1）。當(dāng)GO為真且模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時鐘為下降沿時，則SMPCON為低電平（與MCLK異步，與SCL

8、K同步）。因為SMPCON信號作為狀態(tài)機(jī)的輸入，器件可能遇到抖動輸入。LatTIce公司的可編程邏輯器件有很高的工作速度，他的去抖動輸入能力較強(qiáng)。由于去抖動技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)丟失的狀態(tài)的概率變得很小。因而狀態(tài)機(jī)不得不等待，至多等一個MCLK周期再開始變換。當(dāng)變換開始，把采樣值裝入乘法累加器；然后，把系數(shù)裝入乘法累加器開展乘法累加運(yùn)算，直到N個采樣值都完成運(yùn)算。這時輸出有效，循環(huán)可重新開始。這個過程可用有8個狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)來表示。 狀態(tài)機(jī)根據(jù)代碼狀態(tài)的正確與否來控制乘法累加器的狀態(tài)變化。2個輸出使能信號XOE和YOE-MCDN控制是否把數(shù)據(jù)裝入乘法累加器。CON_DN信號表示N個采樣值已轉(zhuǎn)換完成

9、。為了使?fàn)顟B(tài)位（XOE，YOE_MCDN，CON_DN）產(chǎn)生輸出，使用了狀態(tài)變量（SEBIT）。如果狀態(tài)變量為被使用，那是不允許有2個狀態(tài)位被強(qiáng)行置為相同的狀態(tài)。在設(shè)計中利用LatTIce公司的可編程邏輯器件上電復(fù)位功能，在高電平后存放器被置為0，精心設(shè)計的狀態(tài)機(jī)處于開始狀態(tài)。 除了重新開始置數(shù)階段，每時每刻都產(chǎn)生SMP_DN信號（采樣值開展模數(shù)轉(zhuǎn)換）。當(dāng)SHIT_IN信號置位時采樣值從移位保持存放器移入隊列。每當(dāng)XOE置位時一個系數(shù)裝入乘法累加器。開始轉(zhuǎn)換的 個XOE信號在開始置數(shù)或采樣模位式移人隊列階段一直保持到新的數(shù)據(jù)裝入移位保持存放器。跟下來的XOE信號是YOE_MCDN信號（Y輸出使

10、能信號和乘法累加器使能信號）。YOE_MCDN控制隊列數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)裝入移位存放器的并行操作。接著一個采樣信號從隊列中移出。這時下一個數(shù)據(jù)移人移位保持存放器的XOE已準(zhǔn)備好了，系統(tǒng)如此循環(huán)。直到SMPCON信號變?yōu)椴蓸幽Ｊ?，新的采樣值被移人移位保持存放器，循環(huán)又重新開始。SMPCON信號輸入到狀態(tài)機(jī)，允許系統(tǒng)重新開始循環(huán)。這個控制信號由模式控制器產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時用TC來指示（終點(diǎn)計數(shù)值）。TC信號由6b系數(shù)計數(shù)器產(chǎn)生，當(dāng)計數(shù)值為63時TC信號有效，他說明所有的64個采樣值已完成運(yùn)算。ORDY信號由隊列產(chǎn)生。他告訴狀態(tài)機(jī)隊列中的采樣值是有效的。狀態(tài)機(jī)不斷地把系數(shù)送入乘法累加器直到ORDY信號為

11、真。這時狀態(tài)機(jī)將會轉(zhuǎn)向下一個狀態(tài)。如果乘法累加器的循環(huán)時間不超過隊列的使用時間，狀態(tài)機(jī)認(rèn)為這是輸入狀態(tài)ORDY信號將會一直為真。 改變乘法累加器的指令只須簡單地改變輸出不同值的變量的代碼。如果使用了E2CMOS器件，可方便地再編程和放回電路中。由Lattice公司出品的E2CMOS的22V10就是用于這種用途的可重復(fù)編程的器件。 雙64BX8b的隊列器件用于濾波器的分支抽頭。隊列裝入N個采樣值。這個采樣值被移出隊列移進(jìn)乘法累加器開展處理，同時這個采樣值也保存在移位保持存放器中然后移回到隊列中下一個被移人乘法累加器開展處理的采樣值的前面。在所有的N個采樣值都被處理完，舊的采樣值被移出隊列，新的經(jīng)

12、模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣值被裝入隊列。這時乘法累加器輸出一個濾波器結(jié)果?？删幊踢壿嬈骷勺鳛閿?shù)字濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的接口；數(shù)字濾波器的臨時貯儲器和隊列的控制器。 移位保持存放器可由20V8實現(xiàn)。在采樣模式（SMPCON=1），器件的功能為移位存放器。20V8在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制下串行輸入數(shù)據(jù)，這時20V8處于保持模式，數(shù)據(jù)不會丟失。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)人轉(zhuǎn)換模式（SMPCON=0），數(shù)據(jù)立刻被并行置入移位保持存放器。系數(shù)被保存在用可編程邏輯器件仿制成的ROM中。如果使用E2CMOS器件，濾波器的系數(shù)可很容易的改變只需重編可編程器件。地址計數(shù)器用于獲得系數(shù)的正確次序。因為64抽頭需要64個系數(shù)，64個系數(shù)只需6b地址。

13、6b系數(shù)地址計數(shù)器可在22V10中完成。6b系數(shù)地址計數(shù)器是由計數(shù)使能信號控制的同步計數(shù)器。他的時鐘與乘法累加器的時鐘信號同步。計數(shù)器的使能端與乘法累加器的XOE相聯(lián)。因而計數(shù)器只有在一個系數(shù)移入乘法累加器時才計 數(shù)。當(dāng)計數(shù)值到達(dá)63時TC信號變?yōu)檎?，說明64個系數(shù)已運(yùn)算完。復(fù)位端變?yōu)楦唠娖剑嫈?shù)器又處于已知的開始狀態(tài)。 剩下的4個邏輯微單元用于產(chǎn)生隊列的控制信號，這些信號是異步的。信號由系統(tǒng)是否處于開始置數(shù)、采樣、轉(zhuǎn)換-包括移入、移出和移位保持存放器的時鐘信號的產(chǎn)生的狀態(tài)決定。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始，狀態(tài)機(jī)設(shè)置CONV_DN和MCLK信號，SMPCON被MCLK信號同步置位。這些信號使得移位保持存放器的時鐘信號CLKIN產(chǎn)生變化，存放器在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制下移入有效的采樣值。 4一個具體的有限沖激響應(yīng)濾波器 系統(tǒng)需要133個MCLK完成 循環(huán)轉(zhuǎn)換。使用11.7MHz的時鐘，這個過程需要花費(fèi)約11.4s。系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過一個串行口輸人數(shù)據(jù)到移位保持存放器需花費(fèi)3.3s。系統(tǒng)采樣輸入信號的周期為11.4+3.3=14.7s或頻率68kHz。奈奎斯特（Nyquist）定理說一個信號要高于他的2倍采樣信號采樣才能保持信號信息的完整性。因而一個信號被濾波則系統(tǒng)器件的工作頻率為34kHz。使用ASPI公司的軟件，運(yùn)用Parks-McCcllean方法設(shè)計濾波器。他的中心頻率為20kHz，帶寬為5kH