基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方案

　　在Matlab/Simulink環(huán)境下，采用DSP Builder模塊搭建FIR模型，根據(jù)FDATool工具對(duì)FIR濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真和ModelSim功能仿真，其仿真結(jié)果表明其數(shù)字濾波器的濾波效果良好。通過(guò)SignalCompiler把模型轉(zhuǎn)換成VHDL語(yǔ)言加入到FPGA的硬件設(shè)計(jì)中，從QuartusⅡ軟件中的虛擬邏輯分析工具SignalTapⅡ中得到數(shù)字濾波器實(shí)時(shí)的結(jié)果波形圖，結(jié)果符合預(yù)期。

　　0 引言

　　在信息信號(hào)處理過(guò)程中，數(shù)字濾波器是信號(hào)處理中使用最廣泛的一種方法。通過(guò)濾波運(yùn)算，將一組輸入數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出數(shù)據(jù)序列，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)域或頻域中信號(hào)屬性的改變。常用的數(shù)字濾波器可分為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器兩種。其中，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器具有嚴(yán)格的線性相位，而且非遞歸結(jié)構(gòu)也保證了運(yùn)算的穩(wěn)定性。在實(shí)時(shí)性要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，采用可編程芯片FPGA加以實(shí)現(xiàn)，相比于DSP芯片或?qū)Ｓ眯酒膶?shí)現(xiàn)方法，具有高速、高精度、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)。本文在采取了一種基于FPGA和DSP Builder的方法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器時(shí)，采用了層次化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，遵循DSP Builder的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，在Matlab/Simulink 中建立模型并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，再進(jìn)行Verilog語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，ModelSim仿真驗(yàn)證無(wú)誤后實(shí)現(xiàn)了FIR數(shù)字濾波器的實(shí)時(shí)測(cè)試。

　　1 FIR 數(shù)字濾波器的基本原理及結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于一個(gè)FIR濾波器系統(tǒng)，它的沖擊響應(yīng)總是有限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可以記為：

　　式中：x(n) 是輸入采樣序列;h(i) 是濾波器系數(shù);k 是濾波器階數(shù);y(n) 表示濾波器的輸出序列。

　　圖1為k 階FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。

　　2 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)流程

　　該設(shè)計(jì)流程主要涉及到Matlab/Simulink、DSPBuilder和Quartus Ⅱ等工具軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程，包括從系統(tǒng)描述直至硬件實(shí)現(xiàn)，可以在一個(gè)完整的設(shè)計(jì)環(huán)境中完成，如圖2所示。

　　(1)Matlab/Simulink 中設(shè)計(jì)輸入，即在Matlab 的Simulink環(huán)境中建立一個(gè)擴(kuò)展名為mdl的模型文件，用圖形方式調(diào)用Altera DSP Builder 和其他Simulink庫(kù)中的圖形模塊(Block)，構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)或算法級(jí)設(shè)計(jì)框圖(或稱Simulink設(shè)計(jì)模型)。

　　(2)利用Simulink的圖形化仿真、分析功能，分析此設(shè)計(jì)模型的正確性，完成模型仿真，也叫系統(tǒng)級(jí)仿真。

　　(3)DSP Builder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步，通過(guò)Signal-Compiler把Simulink的模型文件轉(zhuǎn)化成通用的硬件描述語(yǔ)言Verilog文件。

　　(4)轉(zhuǎn)換好的Verilog源代碼用ModelSim軟件進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證Verilog文件的正確性。接下來(lái)的幾個(gè)步驟是對(duì)以上設(shè)計(jì)產(chǎn)生的Verilog的RTL代碼和仿真文件在Quartus Ⅱ工具軟件中進(jìn)行綜合、編譯適配，生成擴(kuò)展名為。sof的文件加載到FPGA硬件系統(tǒng)中。

　　3 FIR 數(shù)字濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3.1 FIR數(shù)字濾波器模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)級(jí)仿真

　　根據(jù)FIR數(shù)字濾波器的原理，在Simulink環(huán)境下搭建16階的FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

　　在模型的搭建過(guò)程中，使用了兩個(gè)8位的Shift Taps移位寄存器模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分解，然后根據(jù)數(shù)字濾波器的原理進(jìn)行算法計(jì)算。

　　模型搭建好之后，需要確定16階FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)，在這使用Matlab中的FDATool濾波器設(shè)計(jì)工具來(lái)確定。確定好濾波器的指標(biāo)：