基于MATLAB與FPGA的FIR濾波器設(shè)計(jì)與仿真

劉春雅

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 西安 710300）

數(shù)字濾波技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、雷達(dá)、數(shù)字電視、生物醫(yī)學(xué)等等，已成為極其重要的一門學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到期望的響應(yīng)特性的離散時(shí)間系統(tǒng)。數(shù)字濾波器工作在數(shù)字域，它處理的對(duì)象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號(hào)。它的設(shè)計(jì)方法有很多，比較常用的有窗函數(shù)法、頻率抽樣法和最佳一直逼近法，但這些設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)濾波器尤其是高階濾波器時(shí)工作量很大，而利用MATLAB信號(hào)處理工具箱進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)工作，能夠減少工作量，提高設(shè)計(jì)效率。文中使用MATLAB這一高效工具完成一種FIR濾波器的前期參數(shù)設(shè)計(jì)工作，隨后給出了FPGA實(shí)現(xiàn)該FIR濾波器的設(shè)計(jì)方案，最后通過MATLAB和ModelSim的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了該FIR濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。

1 FIR濾波器數(shù)學(xué)模型

FIR濾波器為有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器，它的單位脈沖響應(yīng)h（n）只有有限個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。輸入信號(hào)經(jīng)過線性時(shí)不變系系統(tǒng)輸出的過程是一個(gè)輸入信號(hào)與單位脈沖響應(yīng)進(jìn)行線性卷積的過程，可以用線性常系數(shù)差分方程表示如下：

式中，x（n）是輸入信號(hào)，y（n）是卷積輸出，b（n）是系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)。可以看出，每次計(jì)算y（n）需要進(jìn)行N次乘法和N-1次加法操作，實(shí)現(xiàn)乘累加之和，其中N是濾波器單位脈沖響應(yīng)b（n）的長(zhǎng)度。

根據(jù)差分方程表達(dá)式可知，F(xiàn)IR濾波器輸出是由移位、乘法和加法3種運(yùn)算組成的。FPGA內(nèi)部有大量觸發(fā)器及相應(yīng)的RAM和DSP資源，移位操作可以由觸發(fā)器構(gòu)成的移位寄存器鏈或RAM實(shí)現(xiàn)，而乘法和加法操作可以由DSP單元完成。故FPGA器件非常適合進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2 具有線性相位特性的FIR濾波器

離散時(shí)間系統(tǒng)的相頻響應(yīng)反應(yīng)了輸入信號(hào)的各頻率成分通過系統(tǒng)后在時(shí)間上發(fā)生位移的情況，一個(gè)理想的離散時(shí)間系統(tǒng)，除了具有所希望的幅頻響應(yīng)外，最好還能具有線性相位，尤其在在語音合成、波形傳輸?shù)韧ㄐ蓬I(lǐng)域體現(xiàn)的較為明顯。

設(shè)一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)的幅頻特性等于1，而相頻特性具有如下的線性相位：

式中，k為常數(shù)，上式表明，該系統(tǒng)的相移和頻率成正比。那么，當(dāng)信號(hào)x（n）通過該系統(tǒng)后，其輸出y（n）的頻率特性：

故 y（n）=x（n-k），輸出 y（n）等于輸入在時(shí)間上的位移，達(dá)到了無失真輸出的目的。

可以證明，當(dāng) FIR 系統(tǒng)的單位抽樣響應(yīng)滿足 h（n）=±h（M-n）時(shí)，該系統(tǒng)具有線性相位。也就是說，F(xiàn)IR的單位抽樣響應(yīng)需滿足對(duì)稱條件時(shí)，濾波器具有線性相位特性。其中，M可以是偶數(shù)或奇數(shù)，它們對(duì)應(yīng)的濾波器的結(jié)構(gòu)形式有所不同，但是實(shí)現(xiàn)方式上沒有太大的區(qū)別。

3 FIR濾波器的結(jié)構(gòu)形式

FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)通常有：直接型，轉(zhuǎn)置型和線性相位型3種結(jié)構(gòu)。由第一節(jié)的線性常系數(shù)差分方程式可以很容易地得到直接型的濾波器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

轉(zhuǎn)置型由直接型可以推導(dǎo)得出，所實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)較直接型能夠省一些FPGA的寄存器資源。但不論是直接型還是轉(zhuǎn)置型，都不能夠節(jié)省DSP單元的數(shù)量。而對(duì)FPGA來說，DSP資源占用情況是考量濾波器設(shè)計(jì)是否合理的重要參考依據(jù)，因?yàn)镕PGA中的DSP單元是一種比較寶貴的硬核資源。故在較大規(guī)模的設(shè)計(jì)中，直接型和轉(zhuǎn)置型兩種濾波器結(jié)構(gòu)使用很少，所以這里并不做論述。

線性相位型的結(jié)構(gòu)分為濾波器階數(shù)為偶數(shù)和奇數(shù)兩種情況，當(dāng)濾波器階數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，F(xiàn)IR的濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 直接型的FIR濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Direct form FIR structure

圖2 線性相位型FIR濾波器結(jié)構(gòu)（N為奇數(shù)）Fig.2 Linear-phase form FIR structure

從圖2可以看出，這種濾波器結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省50%的乘法運(yùn)算，這樣FPGA的濾波器設(shè)計(jì)可以節(jié)約一半的DSP單元，是有利于FPGA實(shí)現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)。

4 濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)

FDATool（Filter Design＆Analysis Too1）是 Matlab 信號(hào)處理工具箱專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具，操作簡(jiǎn)單、靈活，可以采用多種方法設(shè)計(jì)FIR濾波器。這種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，可以隨時(shí)調(diào)整濾波器特性，而且濾波結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在圖形區(qū)，減少了工作量，有利于濾波器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。

根據(jù)給定的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器通帶帶寬為100 Hz，截止頻率為200 Hz，主要完成濾除200 Hz以上干擾信號(hào)的工作，濾波器階數(shù)為40階。在FDATool中選用FIR低通濾波器設(shè)計(jì)，其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖3和圖4所示。

圖3 幅頻響應(yīng)Fig.3 Magnitude response

圖4 相頻響應(yīng)Fig.4 Amplitude response

從幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)可以看出實(shí)現(xiàn)低通濾波功能的同時(shí)得到了一個(gè)具有線性相位特性的濾波器系數(shù)。

由于MATLAB計(jì)算得到的濾波器系數(shù)為浮點(diǎn)數(shù)，而FPGA只能處理定點(diǎn)數(shù)據(jù)，所以還需要通過MATLAB將浮點(diǎn)數(shù)通過量化取整后轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)[7]。

5 FPGA實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

FPGA采用Xilinx公司的Spartan3A的XA3S200A器件，經(jīng)過ISE軟件綜合后的濾波器頂層圖如圖5所示。

模塊的資源占用情況如表1所示。

在MATLAB中產(chǎn)生一組測(cè)試數(shù)據(jù)來驗(yàn)證FPGA最終實(shí)現(xiàn)的功能和性能。測(cè)試數(shù)據(jù)源包含了有用信號(hào)和干擾信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)源的時(shí)域波形如圖6所示。

圖5 濾波器頂層圖Fig．5 Top view of FIR

表1 FIR模塊資源占用情況Tab.1 Logic utilization of FIR module

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)波形Fig．6 Test datawaveform

信號(hào)從時(shí)域上無法區(qū)分干擾信號(hào)的具體頻率位置，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)源做FFT變換，得到頻域圖如圖7所示。

圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)源頻譜圖Fig．7 Test data in frequence domain

從頻譜上大致可以看出這組測(cè)試源有用信號(hào)頻點(diǎn)在50 Hz，另外3個(gè)干擾信號(hào)頻點(diǎn)在250 Hz，300 Hz和400 Hz的位置上。通過FPGA實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器進(jìn)行濾除干擾信號(hào)后的信號(hào)的頻譜如圖8所示。

濾波后信號(hào)的時(shí)域圖如圖9所示。

從圖8和圖9可見，無論在時(shí)域還是頻域均有效濾除了200 Hz以上的干擾信號(hào)，只保留了50 Hz的有用信號(hào)的頻率成分。

圖8 濾波后信號(hào)頻譜圖Fig．8 After filtered data in frequence domain

圖9 濾波后信號(hào)的時(shí)域圖Fig．9 After filtered datawaveform

6 結(jié)束語

研究了在FPGA中實(shí)現(xiàn)線性相位FIR濾波器的理論原理及設(shè)計(jì)方法，并在Xilinx FPGA器件上實(shí)現(xiàn)，借助ModelSim及MATLAB軟件分別對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果和理論算法結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，測(cè)試結(jié)果證明該FIR濾波器完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

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