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基于FPGA的FIR数字滤波器设计方案

作者:时间:2014-02-14来源:摘自《电子发烧友》

  在Matlab/Simulink环境下,采用 Builder模块搭建模型,根据FDATool工具对进行了设计,然后进行系统级仿真和ModelSim功能仿真,其仿真结果表明其数字的滤波效果良好。通过SignalCompiler把模型转换成语言加入到的硬件设计中,从QuartusⅡ软件中的虚拟逻辑分析工具SignalTapⅡ中得到数字实时的结果波形图,结果符合预期。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/221566.htm

  0 引言

  在信息信号处理过程中,数字滤波器是信号处理中使用最广泛的一种方法。通过滤波运算,将一组输入数据序列转变为另一组输出数据序列,从而实现时域或频域中信号属性的改变。常用的数字滤波器可分为有限脉冲响应()滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器两种。其中,FIR数字滤波器具有严格的线性相位,而且非递归结构也保证了运算的稳定性。在实时性要求比较高的应用场合,采用可编程芯片加以实现,相比于芯片或专用芯片的实现方法,具有高速、高精度、高灵活性的优点。本文在采取了一种基于 Builder的方法设计FIR数字滤波器时,采用了层次化、模块化的设计思想,遵循DSP Builder的设计开发流程,在Matlab/Simulink 中建立模型并进行系统级仿真,再进行Verilog语言转换,ModelSim仿真验证无误后实现了FIR数字滤波器的实时测试。

  1 FIR 数字滤波器的基本原理及结构

  对于一个FIR滤波器系统,它的冲击响应总是有限长的,其系统函数可以记为:

对于一个FIR滤波器系统,它的冲击响应总是有限长的,其系统函数可以记为

  式中:x(n) 是输入采样序列;h(i) 是滤波器系数;k 是滤波器阶数;y(n) 表示滤波器的输出序列。

  图1为k 阶FIR数字滤波器的结构框图。

图1为k 阶FIR数字滤波器的结构框图

  2 FIR 数字滤波器的设计流程

  该设计流程主要涉及到Matlab/Simulink、DSPBuilder和Quartus Ⅱ等工具软件的开发设计。整个设计流程,包括从系统描述直至硬件实现,可以在一个完整的设计环境中完成,如图2所示。

图2 DSP Builder设计流程图

  (1)Matlab/Simulink 中设计输入,即在Matlab 的Simulink环境中建立一个扩展名为mdl的模型文件,用图形方式调用Altera DSP Builder 和其他Simulink库中的图形模块(Block),构成系统级或算法级设计框图(或称Simulink设计模型)。

  (2)利用Simulink的图形化仿真、分析功能,分析此设计模型的正确性,完成模型仿真,也叫系统级仿真。

  (3)DSP Builder设计实现的关键一步,通过Signal-Compiler把Simulink的模型文件转化成通用的硬件描述语言Verilog文件。

  (4)转换好的Verilog源代码用ModelSim软件进行功能仿真,验证Verilog文件的正确性。接下来的几个步骤是对以上设计产生的Verilog的RTL代码和仿真文件在Quartus Ⅱ工具软件中进行综合、编译适配,生成扩展名为。sof的文件加载到FPGA硬件系统中。

  3 FIR 数字滤波器的详细设计

  3.1 FIR数字滤波器模块设计与系统级仿真

  根据FIR数字滤波器的原理,在Simulink环境下搭建16阶的FIR数字滤波器结构,如图3所示。

  在模型的搭建过程中,使用了两个8位的Shift Taps移位寄存器模块对输入信号进行分解,然后根据数字滤波器的原理进行算法计算。

图3 FIR数字滤波器的Simulink结构图

  模型搭建好之后,需要确定16阶FIR数字滤波器的系数,在这使用Matlab中的FDATool滤波器设计工具来确定。确定好滤波器的指标:

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关键词: DSP FPGA VHDL 滤波器 FIR

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