基于FPGA+MATLAB的串行多階FIR濾波器設(shè)計(jì)

時(shí)序控制單元是設(shè)計(jì)的核心部分。AFCLK作為整個(gè)FIR濾波器系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)，此模塊檢測(cè)到AFCLK上升沿到來(lái)時(shí)會(huì)進(jìn)行以下幾個(gè)步驟的處理：(1)首先啟動(dòng)WEN寫(xiě)使能信號(hào)把當(dāng)前DIN寫(xiě)入緩存中，寫(xiě)地址WRADDER累加一次。(2)然后啟動(dòng)讀地址計(jì)數(shù)器RDADDER開(kāi)始進(jìn)行1 024次計(jì)數(shù)，同時(shí)把信號(hào)緩存和系數(shù)ROM中的數(shù)據(jù)送到乘加器中做1 024乘加運(yùn)算，RST的作用是在第一個(gè)有效數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)進(jìn)行累加器清零，RST_EN的作用是在完成1 024次運(yùn)算時(shí)，準(zhǔn)確地把結(jié)果鎖存到輸出端口，如圖6所示。

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因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)位寬是16位，經(jīng)過(guò)1 024次乘加，和濾波器系數(shù)是32位整型量化處理的所有最終結(jié)果要做必要的量化處理，以得到正確的結(jié)果。

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經(jīng)過(guò)編譯綜合后，發(fā)現(xiàn)占用邏輯單元158，僅占EP3C5邏輯單元的3%，RAM單元約占12%，9位乘法器4個(gè)，如圖7所示，效果理想。

4 FPGA數(shù)字濾波器功能仿真驗(yàn)證

QuartusII不支持Testbench，采用*.vwf文件進(jìn)行仿真需要手工輸入激勵(lì)，人工檢查輸出結(jié)果，此程序反饋，且效率較低。由于Quartus II的工程文件都是文本文件，所有的數(shù)據(jù)都以文件形式存儲(chǔ)，所以可以編寫(xiě)文本過(guò)濾程序，將文本文件中的有用數(shù)據(jù)提取出來(lái)，然后進(jìn)行后期處理，既提高了靈活性，又提高了效率。

QuartusII支持*.vwf、*.vec等激勵(lì)輸入，由于*.vec的文本操作性優(yōu)于*.vwf文件，所以文中選擇*.vec文件作為激勵(lì)輸入。使用Matlab產(chǎn)生8 000 Hz速率800 Hz，1000 Hz，1 300 Hz共3種頻率的混合信號(hào)的仿真樣本序列，帶入到QuartusII中進(jìn)行仿真，產(chǎn)生的仿真文件再導(dǎo)出到Matlab中進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖8所示。

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由圖中可以看出，經(jīng)過(guò)FPGA濾波過(guò)后，800 Hz和1 300 Hz的信號(hào)都被濾波器濾除，僅有1 000 Hz信號(hào)保留。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了高速串行多階FIR濾波器的設(shè)計(jì)思路和流程。仿真結(jié)果說(shuō)明，FPGA在FIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方面相比通用和專用DSP芯片具有更靈活的使用方法，可以做到速度和邏輯資源占用方面的均衡。