基于FPGA的FIR數字濾波器設計與實現

摘要：簡要介紹了FIR數字濾波器的結構特點和基本原理，提出基于FPGA和DSP Builder的FIR數字濾波器的基本設計流程和實現方案。在Mat lab／Simulink環(huán)境下，采用DSP Builder模塊搭建FIR模型，根據FDATool工具對FIR濾波器進行了設計，然后進行系統(tǒng)級仿真和ModelSim功能仿真，其仿真結果表明其數字濾波器的濾波效果良好。通過SignalCompiler把模型轉換成VHDL語言加入到FPGA的硬件設計中，從QuartusⅡ軟件中的虛擬邏輯分析工具SignalTapⅡ中得到數字濾波器實時的結果波形圖，結果符合預期。
關鍵詞：FPGA；DSP Builder；FIR數字濾波器；ModelSim功能仿真

在信息信號處理過程中，數字濾波器是信號處理中使用最廣泛的一種方法。通過濾波運算，將一組輸入數據序列轉變?yōu)榱硪唤M輸出數據序列，從而實現時域或頻域中信號屬性的改變。常用的數字濾波器可分為有限脈沖響應(FIR)濾波器和無限脈沖響應(IIR)濾波器兩種。其中FIR數字濾波器具有嚴格的線性相位，而且非遞歸結構也保證了運算的穩(wěn)定性。在實時性要求比較高的應用場合，采用可編程芯片FPGA加以實現，相比于DSP芯片或專用芯片的實現方法，具有高速、高精度、高靈活性的優(yōu)點。本文在采取了一種基于FPGA和DSP Builder的方法設計FIR數字濾波器時，采用了層次化、模塊化的設計思想，遵循DSP Builder的設計開發(fā)流程，在Matlab／Simulink中建立模型并進行系統(tǒng)級仿真，再進行Verilog語言轉換，ModelSim仿真驗證無誤后實現了FIR數字濾波器的實時測試。

1 FIR數字濾波器的基本原理及結構
對于一個FIR濾波器系統(tǒng)，它的沖擊響應總是有限長的，其系統(tǒng)函數可以記為：

式中：x(n)是輸入采樣序列；h(i)是濾波器系數；k是濾波器階數；y(n)表示濾波器的輸出序列。
圖1為k階FIR數字濾波器的結構框圖。

2 FIR數字濾波器的設計流程
該設計流程主要涉及到Matlab／Simulink、DSPBuilder和QuartusⅡ等工具軟件的開發(fā)設計。整個設計流程，包括從系統(tǒng)描述直至硬件實現，可以在一個完整的設計環(huán)境中完成，如圖2所示。

(1)Matlab／Simulink中設計輸入，即在Matlab的Simulink環(huán)境中建立一個擴展名為mdl的模型文件，用圖形方式調用Altera DSP Build er和其他Simulink庫中的圖形模塊(Block)，構成系統(tǒng)級或算法級設計框圖(或稱Simulink設計模型)。
(2)利用Simulink的圖形化仿真、分析功能，分析此設計模型的正確性，完成模型仿真，也叫系統(tǒng)級仿真。
(3)DSP Builder設計實現的關鍵一步，通過SignalCompiler把Simulink的模型文件轉化成通用的硬件描述語言Verilog文件。
(4)轉換好的Verilog源代碼用ModelSim軟件進行功能仿真，驗證Verilog文件的正確性。接下來的幾個步驟是對以上設計產生的Verilog的RTL代碼和仿真文件在QuartusⅡ工具軟件中進行綜合、編譯適配，生成擴展名為．sof的文件加載到FPGA硬件系統(tǒng)中。