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基于FPGA的串行多阶FIR滤波器设计

发布时间:2019-05-15 09:09 来源:未知 编辑:admin

  FIR滤波器的设计分为滤波器系数计算和滤波器结构的具体两个部分。为说明使用实现FIR的灵活性,文中列举了一个多阶串行FIR滤波器实例,并给出主要的源代码和相关模块的时序和功能说明,最后使用

  数字滤波器是用于过滤时间离散信号的数字系统,通过对抽样数据进行数学处理达到频域滤波的目的。根据单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限冲激响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器和有限冲激响应(Finite Inpulse Response,FIR)滤波器。与IIR滤波器相比,FIR滤波器的实现是非递归的,较稳定;且FIR滤波器可获得严格的线性相位特性。因此,应用领域较广。

  FIR滤波器具有成熟的结构,使用Matlab强大的功能使得本来繁重的计算工作变得轻松。在具体应用时,要根据工程当中信号的特点:采样速率、信号带宽等具体使用Matlab得到FIR滤波器系数。滤波器的结构实现可以使用PC软件、单片机、微处理器、FPGA、通用DSP芯片。其需根据信号特性选择。文中主要使用FPGA实现高速时钟下的串行FIR滤波器结构,达到速度和逻辑资源情况下的最佳均衡。

  有限长单位冲激响应(FIR)滤波器的特点:(1)系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零。(2)系统函数H(z)在z0处收敛,极点全部在z=0处。(3)结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,但有些结构中也包含有反馈的递归部分。

  设FIR滤波器的单位冲激响应h(n)为一个N点序列,0nN-1,则滤波器的系统函数为

  这样选择File菜单当中的Export导出滤波器系数到文件中。因为得到系数是浮点数,为适合在FPGA中使用,要编写一个M文件对系数进行整型量化处理并在此文件当中生成FPGA能够使用的.mif表格文件。

  首先新建在QuartusII中新建一个工程FIR1024,然后使用原理图和VHDL混合的方式设计出以下FPGA程序。把fircoef.mif表格文件代入到系数ROM存储器中。

  输入管脚:CLK主时钟25 MHz;DIN[15..0]语音数据输入;AFCLK数据速率时钟8 kHz;信号数据1 024点缓存RAM和滤波器系数ROM。

  时序控制单元是设计的核心部分。AFCLK作为整个FIR滤波器系统的启动信号,此模块检测到AFCLK上升沿到来时会进行以下几个步骤的处理:(1)首先启动WEN写使能信号把当前DIN写入缓存中,写地址WRADDER累加一次。(2)然后启动读地址计数器RDADDER开始进行1 024次计数,同时把信号缓存和系数ROM中的数据送到乘加器中做1 024乘加运算,RST的作用是在第一个有效数据到来时进行累加器清零,RST_EN的作用是在完成1 024次运算时,准确地把结果锁存到输出端口,如图6所示。

  因为语音信号数据位宽是16位,经过1 024次乘加,和滤波器系数是32位整型量化处理的所有最终结果要做必要的量化处理,以得到正确的结果。

  经过编译综合后,发现占用逻辑单元158,仅占EP3C5逻辑单元的3%,RAM单元约占12%,9位乘法器4个,如图7所示,效果理想。

  QuartusII不支持Testbench,采用*.vwf文件进行仿真需要手工输入激励,人工检查输出结果,此程序反馈,且效率较低。由于Quartus II的工程文件都是文本文件,所有的数据都以文件形式存储,所以可以编写文本过滤程序,将文本文件中的有用数据提取出来,然后进行后期处理,既提高了灵活性,又提高了效率。

  QuartusII支持*.vwf、*.vec等激励输入,由于*.vec的文本操作性优于*.vwf文件,所以文中选择*.vec文件作为激励输入。使用Matlab产生8 000 Hz速率800 Hz,1000 Hz,1 300 Hz共3种频率的混合信号的仿真样本序列,带入到QuartusII中进行仿真,产生的仿真文件再导出到Matlab中进行显示,结果如图8所示。

  由图中可以看出,经过FPGA滤波过后,800 Hz和1 300 Hz的信号都被滤波器滤除,仅有1 000 Hz信号保留。

  通过设计实例,介绍了高速串行多阶FIR滤波器的设计思路和流程。仿真结果说明,FPGA在FIR数字滤波器实现方面相比通用和专用DSP芯片具有更灵活的使用方法,可以做到速度和逻辑资源占用方面的均衡。

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