FIR数字滤波器设计及其数字滤波器设计及其FPGA实现实现
以FPGA为硬件平台,利用FPGA的DSP开发工具DSP Builder对数字滤波器进行建模设计及系统模型仿真,生
成VHDL工程文件,编制相应顶层文件,使其符合滤波器硬件系统。利用QuartusⅡ对项目进行综合、编译和调
试,生成原理图模块和RTL电路图。通过对5 kHz方波信号进行仿真滤波,并将VHDL下载到硬件系统中进行硬
件实现,有效地提取到5 kHz的正弦信号。实验结果表明,该设计很好地达到了FIR滤波器的性能,为数字滤波
器的设计与实现提供了新的途径和方法。
摘摘 要:要: 以
关键词:关键词:
数字滤波技术是数字信号处理技术的重要分支。无论是信号的处理交换,还是信号的获取、传输,都离不开滤波技术。数字
滤波的实验实现方法有在通用计算机上用软件实现、采用DSP实现、采用FPGA实现。快速发展的EDA技术和大规模可编程器
件,使得采用FPGA实现数字滤波器可以克服传统DSP技术中的技术瓶颈,在高可靠性、高速与实时性、系统的重配置与硬件
可重构性、单片系统的可实现性及自主知识产权化等许多方面具有突出的优势。
本设计采用FPGA设计工具DSP Builder实现FIR数字滤波器的设计方案,按照MATLAB/Simulink/DSP Builder/Quartus II的
设计流程,设计一个32阶的抽样频率为400 kHz,截止频率为10 kHz的FIR低通滤波器。在硬件实现上应用A/D转换芯片
AD9224采样输入信号后送给FPGA芯片EP1C6Q240C8处理,处理后的信号经D/A转换芯片AD9764转换为模拟信号输出。软
件仿真与硬件实验结果表明,该设计基于FPGA的FIR数字滤波器滤波效果良好,可有效提取需要的信号。
1 FIR滤波器建模设计分析滤波器建模设计分析
FPGA器件由大量逻辑宏单元构成,通过配置,使这些逻辑单元形成不同的硬件结构,从而构成不同的电子系统,完成不同
的功能。正是FPGA的这种硬件重构的灵活性,使得用硬件描述语言(VHDL或Verilog HDL)描述的电路在FPGA中实现。而
DSP Builder可以完成基于FPGA的DSP系统设计的整个过程,它是连接MATLAB/Simulink和QuartusII开发软件的DSP技术,
在Simulink中进行图形设计和仿真,同时又通过Signal Compiler把MATLAB/Simulink的设计文件(.mdl)转换成相应的硬件描
述语言VHDL设计文件(.vhd),以及用于控制综合与编译的TCL脚本,然后可以用FPGA开发工具Quartus II实现综合、布
线、RTL级仿真以及生成目标板下载文件,在灵活的硬件实验平台上实现。
FIR滤波器的数学表达式为:
FIR的滤波过程就是一个信号逐级延迟移位的过程,将各级的延迟输出加权累加,即得到FIR滤波器的输出,其中最主要的
算法是乘累加运算。根据FIR滤波器的数学表达式,用Altera DSP Builder建立图1所示的FIR滤波器图形仿真模型,主要由总
线模块、采样率降低模块(Down Sampling)、移位寄存器模块(Shift Taps)、乘累加模块(MultAdd32)、总线类型转换
模块(Bus Conversion)以及方波信号产生模块(Pulse Generator)和观测仿真结果的示波器组成。其中乘累加模块采用层
次化设计,由前一级的移位寄存器提供数据输入,经过多级累加求和得到FIR滤波器的输出结果,其内部子模块采用8个
Multiply Add构成,每个Multiply Add模块具体设置为:Number of Multipilers:4、Bus Type:Signed Integer、Inputs[number
of bits].[]:12、No Register、Constant Values为滤波器设计系数,并将输出用Paraller Adder相加在一起。由于在后续硬件实
现上A/D采用12 bit、D/A采用14 bit,因此输入信号FIRIN为12 bit整型、输出信号FIROUT为14 bit整型。
滤波器的设计指标为:32阶低通滤波器,采样率为400 kHz,截止频率为10 kHz。采用MATLAB中FDATool工具,使用
Hamming窗,计算出滤波器系数。在MATLAB命令行中输入:round(Num1×212),得到FIR滤波器的整形系数h[32]={4 6
10 16 25 37 52 70 90 112 134 155 173 188 199 204 204 199 188 173 155 134 112 90 70 52 37 25 16 10 6 4}。
滤波器建模设计完成后,输入5 kHz的方波信号,从中提取5 kHz的正弦波信号,其仿真波形如图2所示。从仿真波形可以看
出,经过FIR滤波后,很好地达到滤波效果。
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