基于FPGA的数字滤波器的设计与实现

　　在信息信号处理过程中,如对信号的过滤、检测、预测等,都要使用到滤波器,数字滤波器是数字信号处理中使用广泛的一种方法,常用的数字滤波器有无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器和有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器两种[1]。对于应用设计者,由于开发速度和效率的要求很高,短期内不可能全面了解数字滤波器相关的优化技术,需要花费很大的精力才能使设计出的滤波器在速度、资源利用、性能上趋于较优。而采用调试好的IP核需要向Altera公司购买。本文采用了一种基于DSP Builder的FPGA设计方法,以一个低通的16阶FIR滤波器的实现为例,通过生成的滤波器顶层模块文件与A/D模块文件设计,在联星科技的NC-EDA-2000C实验箱上验证了利用该方法设计的数字滤波器电路工作正确可靠,能满足设计要求。

1 FIR滤波器的参数设计

1.1 设计要求

　　数字滤波器实际上是一个采用有限算法实现的线性非时变离散系统,它的设计步骤为先根据需要确定其性能指标,设计一个系统函数H（z）逼近所需要的技术指标,采用有限算法实现。本系统的设计指标为：设计一个16阶的低通FIR滤波器,对模拟信号的采样频率Fs为48KHz,要求信号的截止频率Fc=10.8kHz,输入序列为宽为9位（宽位为符号位）。

1.2 FIR滤波器的参数选取
　　 设计频率选择性数字滤波器时,通常希望能有近似恒定的频响幅度,并尽量减小通带内的相位失真,斜率为整数的线性相位对应于时域中简单的延时,他在频域中可将相位失真降低到的程度[2],用Matlab提供的滤波器设计的专门工具箱--FDAtool仿真设计滤波器,满足要求的FIR滤波器幅频特性,如图1所示。

2 数字滤波器的DSP Builder设计

2.1 DSP Builder介绍

　　DSP Builer是Altera推出的一个数字信号处理（DSP）开发工具,他在Quartus II FPGA设计环境中集成了Mathworks的Matlab和Simulink DSP开发软件[3]。对DSP Builder而言,包括DSP系统的建模,系统级仿真、设计模型向VHDL硬件描述语言代码的转换、RTL（Register Transfer Level,逻辑综合）级功能仿真测试、编译适配和布局布线、时序实时仿真直至对DSP目标器件的编程配置,整个开发流程几乎可以在顶层的开发工具Matlab/Simulink同一环境中完成。

2.2 FIR 滤波器算法模型建立

　　根据FIR滤波器原理,可以利用FPGA来实现FIR滤波电路,DSP Builder设计流程的步是在Matlab/Simulink中进行设计输入,即Matlab的Simulink环境中建立一个MDL模型文件,用图形方式调用Altera DSP Builder和其他的Simulink库中的图形模块,构成系统级或算法级设计框图（或称Simulink建模）。

2.3 基于DSP Builder的系统级仿真

　　输入信号采用频率分别为f1=8KHz和f2=16KHz的两个正弦信号进行叠加,其中的仿真波形如图2所示,从FIR滤波电路的仿真结果看出,输入信号通过滤波器后输出基本上变成单频率的正弦信号,至此完成了模型仿真。

3 基于 FPGA的数字滤波器的实现

3.1 运用Modelsim进行功能仿真

　　在DSP Builder中进行的仿真是属于系统验证性质的,是对MDL文件进行的仿真,并没有对生成的VHDL代码进行过仿真。事实上,生成VHDL描述是RTL级的,是针对具体的硬件结构的,这两者之间有可能存在软件理解上的差异,转换后的VHDL代码实现可能与MDL模型描述的情况不完全相符,这就需要针对生成的RTL级VHDL代码进行功能仿真。

　　我们利用Modelsim来对生成的VHDL代码进行功能仿真。设置输入输出信号均为模拟形式,出现如图3所示的仿真波形,可以看到这与Simulink里的仿真结果基本一致。即可在Quartus II环境下的硬件设计[4]。

3.2 在FPGA器件中实现FIR滤波器

　　用FPGA实现的数字滤波器处理的是数字信号,在实际应用中,首先就要用A/D转化器对模拟信号进行采样与量化。传统的方法多数是用CPU或单片机完成的,缺点是控制周期长,速度慢。而利用同步时序状态机来控制A/D采样是一种既简单可靠,又能显著提高采样周期的行之有效的方法。

　　在Quartus II环境通过VHDL语言按要求设计该状态机并转换为.bsf文件;打开DSP Builder建立的Quartus II项目文件fir.qpf及fir.vhd并转换为相应的.bsf文件,由此可以得到对应设计的模块,如图4所示,调用这两个模块建立新的顶层原理图文件,在软件环境里通过时序仿真,指定器件管脚、进行编译、到实验箱的EP1K10TC100-3器件中。

4 结语

　　用信号发生器产生所要求的两个不同频率的正弦信号,就可以示波器上看到滤波以后的结果,需要设计不同的滤波电路时,仅修改滤波器模型文件就可以实现。可见在利用FPGA进行数字滤波器的开发时,采用DSP Builder作为设计工具能快捷、可靠地设计实用滤波系统。