基于DSPBuilder的插值濾波器的設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)*

楊守良，楊保亮

（重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，重慶402160）

插值濾波器是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單、整齊劃一、占用存儲(chǔ)量小的濾波器，廣泛應(yīng)用于數(shù)字示波器、數(shù)字通信和全數(shù)字收發(fā)機(jī)中。它不需要乘法器，因此占用硬件資源較少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且速度較高，是高分解速率濾波器的一種非常有效的結(jié)構(gòu)，在高速抽取或插值系統(tǒng)中是非常有效的單元[1-3]。在插值濾波器的具體實(shí)現(xiàn)中，人們大多使用DSP來實(shí)現(xiàn)，但由于DSP具有串行執(zhí)行指令的特點(diǎn)，使得其在高速信號(hào)處理中無法滿足設(shè)計(jì)需要[4]。而高性能大規(guī)模可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得在FPGA中用軟件實(shí)現(xiàn)插值濾波器成為可能，而且FPGA芯片內(nèi)部的資源相當(dāng)豐富，并行的處理速度較快，并具有極大的靈活性，使其成為設(shè)計(jì)的首選。

在以FPGA為核心器件來設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí)，Altera公司的DSP Builder是一款理想的系統(tǒng)級(jí)工具軟件，它建立了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的抽象算法模型，并將抽象算法模型轉(zhuǎn)化成可靠的硬件實(shí)現(xiàn)。DSP Builder提供了一個(gè)從MATLAB/Simulink直接到FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)接口，是數(shù)字信號(hào)處理高層系統(tǒng)設(shè)計(jì)與FPGA的橋梁。DSP Builder極大地簡(jiǎn)化了硬件實(shí)現(xiàn)流程，同時(shí)提供了系統(tǒng)仿真測(cè)試功能，使利用FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理更加靈活，更容易開發(fā)。此外，還可以將設(shè)計(jì)模型直接編譯成能在FPGA器件中布局布線的網(wǎng)表文件，成功地解決了算法研究人員和硬件實(shí)現(xiàn)工程師之間的工作協(xié)調(diào)問題，使得用戶能夠以最快的速度將他們的算法得到硬件實(shí)現(xiàn)。

1 插值濾波原理

插值濾波是由N個(gè)Comb模塊（采樣頻率為fs/RD），再級(jí)聯(lián) N個(gè) Intergrator模塊級(jí)聯(lián)（采樣頻率為 fs），結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 一般情況下插值比率為 1：1、1：2、1：5、1：10、1：20、1：50。 插值濾波器由一個(gè)插零模塊和一個(gè)濾波器構(gòu)成。如果插值比率為1：N，則插零模塊負(fù)責(zé)在每?jī)蓚€(gè)原始數(shù)據(jù)之間插入N-1個(gè)0，再通過濾波平滑波形，出來的插值后的波形的采樣率將是原始波形的N倍。

圖1 多級(jí)CIC插值濾波器結(jié)構(gòu)框圖

2 CIC濾波器的模型建立

2.1 數(shù)據(jù)處理寬度的確定

用FPGA實(shí)現(xiàn)插值濾波器時(shí)[5-8]，還有一個(gè)很重要的參數(shù)需要確定，那就是寄存器的寬度（或者位數(shù)）。只有精心計(jì)算寄存器的寬度，才能在運(yùn)算不溢出的情況下，最大限度地節(jié)省FPGA的硬件資源。對(duì)于插值濾波器，最終的梳狀器輸出增益 G=（RD）N，其中，R為抽取因子，D為延遲數(shù)值，N為濾波器級(jí)數(shù)。假定采用二進(jìn)制補(bǔ)碼，設(shè)輸入數(shù)據(jù)寬度為Bin，則內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的寬度Bout=Nlog2（RD）+Bin。 本設(shè)計(jì)中輸入數(shù)據(jù)寬度為 8，N=3，R=75，D=1（即抽取因子為 75，延遲為 1的三級(jí)插值濾波器），則輸出字寬 W=8+log2（75×1）≈26 bit，保證不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行時(shí)間溢出。因此，可以根據(jù)前面的分析建立模型。

2.2 插值濾波器的模型建立

本文以帶寬為30 kHz、采樣率為2 MHz的信號(hào)加速為采樣率為150 MHz的信號(hào)，而要求通帶衰減最大不得超過3 dB，阻帶衰減不得低于45 dB。根據(jù)前面的分析可以采用三級(jí)插值濾波器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖1所示的框圖在MATLAB的Simulink下，利用DSP Builder建立圖2所示的三級(jí)插值濾波器模型[5-7]。

用SignalCompiler將圖2的核心插值濾波器模型轉(zhuǎn)化為 VHDL硬件描述語言，雙擊“SignalCompiler”圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊 “Compile”，DSP Builder將會(huì)調(diào)用Quartus II進(jìn)行全程編譯，其過程包括創(chuàng)建Quartus II工程、綜合及適配。由于在DSP Builder中只有器件系列，且編譯之后沒有時(shí)序報(bào)告，因此，在用 SignalCompiler將.mdl文件轉(zhuǎn)化成HDL語言后，一般還需在Quartus II中進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置和完整編譯。

3 仿真分析

3.1 基于DSP Builder軟硬件協(xié)同仿真

由于在Simulink下進(jìn)行的仿真不涉及任何硬件 （如FPGA），只能是算法級(jí)的仿真，但是如果完全放在底層設(shè)計(jì)工具Quartus II上仿真，盡管獲得了全硬件的仿真結(jié)果，但是難以獲得一些特定功能的激勵(lì)信號(hào)，因此，本仿真通過引入HIL模塊來進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真。首先在Simulink平臺(tái)下進(jìn)行軟件仿真，當(dāng)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，使用HIL將Input和Output模塊之間DSP Builder模塊生成HDL工程，從而實(shí)現(xiàn)基于MATLAB/DSP Builder平臺(tái)的硬件仿真。本文選用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8為主芯片的開發(fā)板進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，輸出端的數(shù)據(jù)比輸入端的數(shù)據(jù)整整快了75倍，仿真結(jié)果表明，三級(jí)插值濾波器的實(shí)現(xiàn)方法正確。

圖3 三級(jí)CIC濾波器仿真圖

3.2 Quartus II時(shí)序仿真

采用一個(gè)幅值為127的階躍信號(hào)作為插值濾波器的輸入信號(hào)，在Quartus II開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行仿真、綜合，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。可以看出達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

圖2 三級(jí)CIC濾波器結(jié)構(gòu)框圖

圖4 三級(jí)CIC濾波器仿真所得的時(shí)序圖

本文提出一種根據(jù)插值濾波器數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/Simulink來建立相應(yīng)的模型，然后利用Signal Compiler工具將其轉(zhuǎn)化為Quartus II能夠識(shí)別的VHDL程序來實(shí)現(xiàn)插值濾波器的方案。該方案充分發(fā)揮了FPGA器件處理速度快、實(shí)現(xiàn)靈活方便的特性，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用DSP Builder系統(tǒng)工具，從插值濾波器建模、仿真到FPGA的具體設(shè)計(jì)都在一個(gè)環(huán)境中完成，方便了系統(tǒng)的更改和擴(kuò)展，使得設(shè)計(jì)更加靈活、便捷，相對(duì)于傳統(tǒng)開發(fā)方式，具有更大的優(yōu)勢(shì)。

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