采用分布式算法的低通FIR濾波器設(shè)計

　　從式(5)和式(7)可以看出，利用分布式算法實現(xiàn)一個N項乘積和，關(guān)鍵是如何實現(xiàn)式(4)中乘積項及各乘積項之和。

　　在FPGA中可以預(yù)先設(shè)定一個N位輸入的查找表來實現(xiàn)部分乘積項，即預(yù)先設(shè)定N階濾波系統(tǒng)查找表，實現(xiàn)向量x(i)={x0(i)，x1(i)，x2(i)，…，xN-1(i))到p(i)的一個映射。由于查找表的地址空間與階數(shù)成指數(shù)關(guān)系(2N)，完全用查找表來實現(xiàn)部分乘積項需要容量很大的存儲器，這就需要占用巨大的資源，而且功耗增加、速度降低。因此為了減小設(shè)計規(guī)模，可以將一個大的查找表分為幾個較小的查找表來實現(xiàn)。例如，本系統(tǒng)采用的8階FIR濾波器，則用一個查找表來實現(xiàn)需要256(28)位地址空間的ROM，將8階FIR濾波器分成兩個4階FIR濾波器實現(xiàn)，只需要2個16(24)位地址空間的ROM，這樣大大地降低了設(shè)計規(guī)模和資源使用量。把輸入x(i)作為地址，分為高四位和低四位地址進行查找。表1給出了8階濾波系統(tǒng)的低四位地址x(i)與p(i)的映射關(guān)系。

　　本系統(tǒng)中濾波器系統(tǒng)函數(shù)采用Matlab中的fdatool工具，并根據(jù)設(shè)計要求采用了kaiser窗設(shè)計出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)h(n)，其采樣頻率為500 kHz，通頻帶帶寬為100 Hz。設(shè)計的低通濾波器如圖1所示。若需實現(xiàn)高通或帶通濾波器，只需在設(shè)計時利用高通或帶通濾波器代替低通濾波器即可。

　　利用Verilog硬件描述語言設(shè)計本系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)主要分為以下4個部分。包括頂層文件、A/D采樣、算法實現(xiàn)和D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　由于FPGA頻率為100 MHz，采用的ADC0809轉(zhuǎn)換頻率必須小于1 MHz，所以在頂層文件對系統(tǒng)時鐘進行200分頻，提供外圍所需時鐘。然后對各模塊進行例化，使之成為完整的系統(tǒng)。

　　對A/D采樣輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到完成A/D轉(zhuǎn)換，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。CLK為時鐘輸入信號線。由頂層文件的分頻時鐘提供500 kHz時鐘，對信號進行采集。

　　算法主體的實現(xiàn)主要由以下幾個部分組成：數(shù)據(jù)接收存儲、數(shù)據(jù)選擇器、2個存儲器、加法和控制部分。