基于Matlab和FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計及實現(xiàn)

摘要：基于FIR數(shù)字濾波器的原理和層次化、模塊化設(shè)計思想，結(jié)合Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片，提出了FIR數(shù)字濾波器的實現(xiàn)硬件方案，給出了采用Matlab、QuartusⅡ設(shè)計及實現(xiàn)32階低通FIR濾波器的方法步驟，仿真及實際測試結(jié)果驗證了設(shè)計方案的正確性，與傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器相比，本文設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器具有更好的實時性、靈活性和實用性。
關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器；FPGA；Verilog HDL；Matlab

1 引 言
FIR數(shù)字濾波器以其良好的線性特性被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中，是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容之一。在實際信號處理中，往往要求系統(tǒng)兼具實時性和靈活性，而已有的一些軟件或硬件實現(xiàn)方案(如DSP)則難以同時達(dá)到這兩方面的要求。使用具有并行處理特性的FPGA來實現(xiàn)FIR濾波器，既有很強(qiáng)的實時性，又兼顧了靈活性，為數(shù)字信號處理提供了一種很好的解決方案。FIR濾波器系數(shù)計算較為繁瑣，在設(shè)計時借助Matlab工具箱，選擇合適的窗函數(shù)，可以方便地計算濾波器系數(shù)，并分析其幅頻、相頻特性。
本文在用FPGA設(shè)計FIR濾波器時，采用了層次化、模塊化的設(shè)計思想，將整個濾波器劃分為若干功能模塊，運用Verilog HDL語言和原理圖兩種設(shè)計輸入方式，各個模塊先獨立設(shè)計，驗證無誤后再互聯(lián)綜合，完成了FIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)設(shè)計及仿真測試。

2 FIR濾波器基本原理及結(jié)構(gòu)
FIR數(shù)字濾波器的沖擊響應(yīng)h(n)為實序列時，頻率響應(yīng)：

若要求線性相位，則需：

因而h(n)如果滿足對稱或反對稱的條件，就具有線性相位特性，即：

數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)有很多種，偶對稱FIR濾波器的直接型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中x(n)，y(n)分別為輸入輸出時間序列。容易得到32階偶對稱FIR濾波器的輸入輸出關(guān)系，如式(4)所示：

根據(jù)以上分析，可以把對稱結(jié)構(gòu)的FIR數(shù)字濾波器分成“移位相加單元、乘法器、輸出相加及截位輸出”四塊，如圖2所示。

對于長度為2M的濾波器，其運算次數(shù)只有M量級，減少了乘法次數(shù)，也提高了運算速度。在用FPGA實現(xiàn)時可以節(jié)約不少資源。

3 用Matlab設(shè)計FIR數(shù)宇濾波器
具有對稱結(jié)構(gòu)的直接型FIR濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，用加窗的設(shè)計方法，經(jīng)比較后窗函數(shù)選用海明窗。根據(jù)實際指標(biāo)要求在Matlab的“Filter Design”工具里設(shè)置各參數(shù)，然后算得系數(shù)h(n)，如圖3所示，得到的系數(shù)是用十進(jìn)制表示的，需要將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)要求精度(如18位)的定點二進(jìn)制小數(shù)。把所有系數(shù)乘以218后再四舍五入即可，最終數(shù)據(jù)如表1所示。

4 濾波器的FPGA實現(xiàn)及仿真測試
按照圖l、圖2和濾波器系數(shù)表1，用Verilog HDL分別實現(xiàn)濾波器的各個模塊，仿真無誤后生成單元模塊圖，然后在QuartusⅡ里調(diào)用該模塊，互聯(lián)后綜合得到系統(tǒng)電路圖，各功能模塊的設(shè)計方法如下。
4．1 移位及首尾相加單元
把輸入數(shù)據(jù)存儲到移位寄存器，利用FIR濾波器的對稱性，把移位后的數(shù)據(jù)首尾相加即可。加法器輸出端要加個寄存器模塊，以去除毛刺。另外為防止相加后數(shù)據(jù)溢出，要把數(shù)據(jù)位數(shù)擴(kuò)寬到14+1位。其中D_in[13．．O]是二進(jìn)制補(bǔ)碼輸入，D out XX[14．．O]是移位相加后數(shù)據(jù)輸出。Vexrilog HDL程序關(guān)鍵語句為：

移位相加單元模塊圖如圖4所示。