IIR數(shù)字濾波器的FPGA仿真與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字濾波器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的核心器件。常用的數(shù)字濾波器有FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器。文章介紹了一種基于EDA技術(shù)中的模塊化設(shè)計(jì)思想，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)IIR數(shù)字濾波器中的一些關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),最終在FPGA上實(shí)現(xiàn)IIR 數(shù)字濾波器的方法[1]。

1 IIR數(shù)字濾波器硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 數(shù)字濾波器的原理

數(shù)字濾波器的功能是完成信號(hào)濾波處理，是用有限精度算法實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)[2]。一個(gè)數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)可以表示為：
　　

　　直接由H(z)得出表示輸入輸出關(guān)系的常系數(shù)線性差分方程為：


式中ai、bj-1為濾波系數(shù)，當(dāng)bj-1均為零時(shí)，該濾波器為FIR數(shù)字濾波器，當(dāng)bj-1不均為零時(shí)，則為IIR數(shù)字濾波器。

1.2 IIR數(shù)字濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方案比較

濾波器的實(shí)現(xiàn)主要包括兩大類：采用TMS320系列DSP芯片實(shí)現(xiàn)和采用PLD器件實(shí)現(xiàn)(主要包括FPGA和CPLD)。利用PLD器件實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用硬件乘加模塊，從而使其運(yùn)算速度比采用DSP器件快很多。因此基于FPGA的自編程實(shí)現(xiàn)方式成了濾波器實(shí)現(xiàn)的首選[3]。以下簡(jiǎn)要介紹IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方案和基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方法[4]。

方案一：直接相乘累加式

對(duì)于二階的IIR數(shù)字濾波器，其差分方程為：

　　因此可用5個(gè)硬件乘法器和4個(gè)硬件加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用這種方法對(duì)于高階的IIR數(shù)字濾波器的FPGA的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是比較耗費(fèi)資源的。

方案二：基于ROM查找表的VHDL結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)[5]

濾波器實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)是完成乘累加運(yùn)算，采用ROM查找表方法可以避免使用硬件乘法器。由二階IIR濾波器的差分方程可以看出：yn僅取決于變量xn、xn-1、xn-2、yn-1和yn-2，因此可將a0、a1、a2、b0、b1的所有部分積存儲(chǔ)在ROM中，而以變量xn、xn-1、xn-2、yn-1和yn-2作為ROM的地址，從中選出對(duì)應(yīng)的值，從而得到y(tǒng)n。

此方法避免了占主要運(yùn)算量的乘法運(yùn)算，節(jié)省了FPGA硬件資源，但使用不夠靈活。特別是當(dāng)階數(shù)比較大時(shí)，更改ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)十分不便。

方案三：改進(jìn)型設(shè)計(jì)

結(jié)合直接相乘累加式和ROM查表法的優(yōu)點(diǎn)，用1個(gè)5路8位×1位的乘法器在8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1中的X(n)與各自的系數(shù)的最高位相乘后，送入累加器相加后將和左移一位，以實(shí)現(xiàn)乘2運(yùn)算。下一個(gè)時(shí)鐘，寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)與系數(shù)的次高位相乘，再送入累加器，然后再左移一位。接下來(lái)的6個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行類似的操作。第8個(gè)時(shí)鐘后，將累加器所得數(shù)據(jù)輸出即得到y(tǒng)(n)，對(duì)累加器清零，接著再進(jìn)行下一次運(yùn)算。

比較3種方案，方案三實(shí)現(xiàn)較為方便簡(jiǎn)潔，在節(jié)省了FPGA硬件資源的同時(shí)，使得設(shè)計(jì)靈活，設(shè)計(jì)周期大為縮短，本設(shè)計(jì)即采用方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器。

2 IIR數(shù)字濾波器的具體實(shí)現(xiàn)和仿真

二階級(jí)聯(lián)法用于實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器硬件電路的應(yīng)用是極為廣泛的，為此本文首先實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的二階節(jié)，然后用二階節(jié)的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)更高階的濾波器。

2.1 IIR數(shù)字濾波器二階節(jié)的FPGA實(shí)現(xiàn)

IIR數(shù)字濾波器的二階節(jié)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，把二階節(jié)分為延時(shí)模塊和補(bǔ)碼乘加模塊，其中補(bǔ)碼乘加模塊是設(shè)計(jì)的核心。

2.1.1 延遲模塊

延遲模塊功能是在clk時(shí)鐘作用下將差分方程的各x、y值延遲一個(gè)時(shí)鐘以實(shí)現(xiàn)一次延時(shí)運(yùn)算，即當(dāng)延時(shí)模塊輸入為x(n)和y(n)時(shí)，經(jīng)過(guò)延時(shí)后輸出x(n)、x(n-1)、x(n-2)、y(n-1)和y(n-2) ,然后將輸出送到補(bǔ)碼乘加模塊運(yùn)算。

2.1.2 補(bǔ)碼乘加模塊

補(bǔ)碼乘加模塊主要是用方案三的方法實(shí)現(xiàn)輸入序列{x(n)}、{y(n)}與系數(shù)ai、bi分別相乘后再相加的過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)。為了避免過(guò)多地使用乘法器，本設(shè)計(jì)中乘加單元(MAC)的乘法器采用陣列乘法器，以提高運(yùn)算速度。

2.1.3 二階節(jié)的頂層模塊設(shè)計(jì)

頂層模塊設(shè)計(jì)采用原理圖輸入方法，將延遲模塊和補(bǔ)碼乘加模塊加入到系統(tǒng)中，并加入相應(yīng)的輸入輸出引腳構(gòu)成IIR濾波器的二階節(jié)。

2.1.4 二階節(jié)的系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

本次設(shè)計(jì)的二階節(jié)的輸入端x(n)寬為8位，可接8位AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)，輸出y(n)為16位數(shù)據(jù)。將實(shí)現(xiàn)的二階節(jié)在QuartusII中進(jìn)行編譯綜合后，在波形圖中分別給定不同的濾波器系數(shù)和輸入不同的序列時(shí)，進(jìn)行了波形仿真，這里給出其中的一個(gè)仿真波形如圖2所示(圖2是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)為：H(z)=(5+5z-1+5z-2)/(1-z-1-z-2) 的二階節(jié)的波形圖，其中a0、a1、a2、b0、b1為濾波器系數(shù)，xn為輸入序列，yn為輸出序列)。

下面將對(duì)用FPGA實(shí)現(xiàn)的二階節(jié)時(shí)序波形仿真值和用Matlab對(duì)二階節(jié)的仿真結(jié)果相比較，分別對(duì)在輸入序列相同、但濾波器系數(shù)不同和濾波器系數(shù)相同、但輸入序列不同等幾種情況分別進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如表1所示。

　　由表1可以看出所設(shè)計(jì)的二階節(jié)在不同系數(shù)和不同輸入情況下的FPGA仿真值和由Matlab計(jì)算值基本一致，說(shuō)明采用方案三設(shè)計(jì)的二階節(jié)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此外，表中仿真值與計(jì)算值有所偏差，而且隨著值的增大偏差越來(lái)越大，這是由于輸入位寬僅為8位的有限精度運(yùn)算所引起的截?cái)嗾`差所致，要解決這一問(wèn)題可以通過(guò)增加二進(jìn)制位數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)算精度。

2.2 高階IIR數(shù)字濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高階IIR數(shù)字濾波器，如果采用直接型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，需要的乘法器和延遲單元相對(duì)較多，而且分子和分母的系數(shù)相差很大，因此需要較多的二進(jìn)制位數(shù)才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精度要求。而采用二階節(jié)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，一方面各基本節(jié)的零極點(diǎn)可以很方便地單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，另一方面可以降低對(duì)二進(jìn)制位數(shù)的要求，因此選用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。下面以四階IIR數(shù)字濾波器為例來(lái)說(shuō)明高階濾波器的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 四階IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)

四階IIR數(shù)字濾波器需要采用2個(gè)二階節(jié)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。其系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖3所示。圖中busconv模塊為總線轉(zhuǎn)換模塊，作用是將16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)輸出。


2.2.2 四階IIR濾波器的仿真波形和結(jié)果分析

四階濾波器輸入端x(n)寬為8位，輸出y(n)為16位數(shù)據(jù)。與二階節(jié)一樣將四階濾波器在QuartusII中進(jìn)行編譯綜合并進(jìn)行了時(shí)序波形仿真。在仿真中，設(shè)定的輸入序列xn為{1,2,3,4,5}，輸出為YN。第1個(gè)二階節(jié)IIR2(1)的系數(shù)為：A00=1,A01=2,A02=1,B00=1,B01=1,第2個(gè)二階節(jié)IIR2(2)系數(shù)為：A10=1,A11=1,A12=2,B10=1,B11=2，即實(shí)現(xiàn)的四階濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：


同樣將用FPGA實(shí)現(xiàn)的四階IIR濾波器時(shí)序仿真值與用Matlab仿真值進(jìn)行了比較，如表2所示。因?yàn)椴捎枚A節(jié)級(jí)聯(lián)，這里僅給出一組比較，其他情況與二階節(jié)相同。

　　由表2可見(jiàn)仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，且在不同的濾波器系數(shù)和不同輸入序列時(shí)所得出的結(jié)果與Matlab仿真值都一致，說(shuō)明采用2個(gè)二階節(jié)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階IIR數(shù)字濾波器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同樣由于二階節(jié)存在有限精度引起的截?cái)嗾`差，四階濾波器也存在截?cái)嗾`差。

本文采用改進(jìn)型方法在FPGA上成功實(shí)現(xiàn)了IIR數(shù)字濾波器，這種方法優(yōu)點(diǎn)是不但減少了硬件乘法器的數(shù)量，節(jié)省了硬件資源，而且避免了系數(shù)發(fā)生變化時(shí)ROM中數(shù)據(jù)更改不方便的問(wèn)題。缺點(diǎn)是在時(shí)間上付出了一定代價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的階數(shù)、精度等要求，通過(guò)修改IIR數(shù)字濾波器外圍參數(shù)改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)任意階數(shù)濾波器，并且可以根據(jù)不同要求選擇在不同規(guī)模的FPGA上加以實(shí)現(xiàn)。