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(guò)程中,如對(duì)信號(hào)的過(guò)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(wú)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]。對(duì)于應(yīng)用設(shè)計(jì)者,由于開(kāi)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(gòu)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(guò)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(mén)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(kāi)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(kāi)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(yǔ)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(kāi)發(fā)流程幾乎可以在頂層的開(kāi)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(lái)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(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）。

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(guò)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(méi)有對(duì)生成的VHDL代碼進(jìn)行過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)VHDL語(yǔ)言按要求設(shè)計(jì)該狀態(tài)機(jī)并轉(zhuǎn)換為.bsf文件;打開(kāi)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(guò)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(yǔ)

?? 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)。可見(jiàn)在利用FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波器的開(kāi)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)。