基于FPGA的光柵信號FIR濾波器實現(xiàn)

楊曉晗 李彬華 丁 旭

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500)

基于FPGA的光柵信號FIR濾波器實現(xiàn)

楊曉晗 李彬華 丁 旭

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500)

為了去除實測光柵信號的噪聲干擾，提高信號的細分精度，提出一種基于FPGA的光柵信號FIR濾波器實現(xiàn)方法。給出濾波器的基本原理和設(shè)計流程。通過DSP Builder和Matlab/Simulink完成了濾波器模塊的設(shè)計和仿真，并將此模塊直接轉(zhuǎn)換成VHDL語言，用Modelsim的RTL進行仿真，驗證了VHDL模塊的正確性。濾波結(jié)果表明：示波器的實測光柵信號和濾波后的光柵信號與Matlab/Simulink、DSP Builder模型仿真結(jié)果相同，設(shè)計的32階FIR濾波器在FPGA開發(fā)板的實現(xiàn)效果即示波器觀測到的輸入輸出信號，證明該濾波器設(shè)計的可行性及其良好的濾波效果。

FIR濾波器 光柵信號 DSP Builder FPGA Matlab/Simulink

光柵測量技術(shù)是以光柵付相對移動所形成的莫爾條紋信號為基礎(chǔ)的。光柵付的相對移動使透射光的光強呈周期性變化，該周期性光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后成為正弦波信號。正弦波信號每變化一個周期，表示被測物體移動一個光柵柵距。為了提高被測物體移動距離的檢測精度和分辨率，大多數(shù)研究人員側(cè)重研究的是對光柵信號的電子學(xué)細分處理方法[1]。但是，大部分細分方法所用的光柵信號都是理想的正余弦波，而且細分倍數(shù)越高，對光柵信號的要求越嚴(yán)格。而光柵測量系統(tǒng)產(chǎn)生的莫爾信號不可避免地會引入噪聲干擾，使得實際情況下很難得到理想的莫爾條紋，光電元件的輸出波形變?yōu)閹в须s波的近似正余弦曲線[2]。因此，需要對光柵信號進行濾波處理，消除噪聲對它產(chǎn)生的影響。目前，濾波器設(shè)計主要有軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)兩種方式[3]。軟件實現(xiàn)是利用計算機的存儲器、運算器和控制器完成濾波運算程序，但此方法速度慢且難以對信號進行實時處理。硬件實現(xiàn)多利用現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)結(jié)合乘法和累加構(gòu)成的卷積運算實現(xiàn)濾波器。FPGA具有體積小、速度快、功耗低及可靠性高等優(yōu)點，但它在實現(xiàn)復(fù)雜算法時可行性較差。在比較各種實現(xiàn)有限長單位沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response,FIR)濾波器方法的優(yōu)缺點后，Altera公司推出了專門針對數(shù)字信號處理器的設(shè)計軟件DSP Builder[4]，使得濾波器設(shè)計效率大為提高，但它很少應(yīng)用于光柵信號的濾波處理。

在此，筆者提出一種基于Matlab/Simulink、DSP Builder及QuartusII等軟件的FPGA開發(fā)板環(huán)境下的32階FIR濾波器，對實測的光柵信號進行濾波去噪處理，以得到較為理想的正弦信號。

1 實測信號導(dǎo)入Simulink

通過云南天文臺經(jīng)緯儀的讀數(shù)頭SR050A采集到的光柵信號如圖1所示。示波器將采集的光柵信號保存為csv格式，然后導(dǎo)入Matlab中，并將它歸一化量化為8位數(shù)據(jù)。這是因為FPGA開發(fā)板自帶的是8位AD芯片TLC5510。由于示波器的采樣頻率為100kHz，所以將對應(yīng)的采樣時間和數(shù)據(jù)一起導(dǎo)入Simulink的From Workspace模塊中，即完成了光柵信號數(shù)據(jù)的導(dǎo)入過程。

圖1 實測光柵信號

2 基于DSP Builder的FIR濾波器

2.1FIR濾波器的基本原理

FIR濾波器在數(shù)字通信系統(tǒng)中被大量使用，如低通濾波、通帶選擇、抗混疊、抽取及內(nèi)插等。通常對于一個FIR濾波器而言，它的沖擊響應(yīng)是有限長的，其系統(tǒng)函數(shù)可以記為[5]：

(1)

式中bk——加權(quán)系數(shù)；

H(z)——FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)；

M——FIR濾波器的零點數(shù)，即延時節(jié)數(shù)，為敘述簡便，稱M為FIR濾波器的階數(shù)；

z-k——移位算子。

最基本的FIR濾波器可表示為：

(2)

式中h(i)——濾波器系數(shù)；

L——濾波器的系數(shù)長度；

x(n)——輸入采樣序列；

y(n)——濾波器的輸出序列。

也可以用卷積來表示輸出序列y(n)與x(n)、h(n)的關(guān)系：

y(n)=x(n)*h(n)

(3)

其中，h(n)是系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)。

2.2設(shè)計流程

幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都涉及到信號(如電、磁、機械、熱、聲及光等)[6]，因此信號噪聲無處不在，它貫穿于信號的獲取、傳輸及處理等各個環(huán)節(jié)。要將噪聲從信號中去除并提取有用信號，就必須對原始信號進行濾波。根據(jù)FIR濾波器的基本原理，為了設(shè)計32階低通濾波器，首先建立一個4階低通濾波器模型，然后根據(jù)4階濾波器便可以搭成4n階的直接I型濾波器。圖2所示為一個4階FIR濾波器，含有4個延遲模塊、4個乘法單元和一個加法器。

圖2 4階FIR濾波器模型

復(fù)制4個如圖2所示的4階FIR濾波器，將它們銜接起來。前一級的輸出端口Out2接后一級的In1輸入端口，并附加16個常數(shù)端口和一個4輸入端口的加法器，最后得到16階的FIR濾波器(圖3)輸出端口Out1。同理，以16階FIR濾波器為基礎(chǔ)可以得到32階的FIR低通濾波器，設(shè)計流程如圖4所示。設(shè)計完成后，根據(jù)光柵信號頻率(1.3kHz)和采樣頻率(100kHz)，通過FDATool工具確定32階FIR濾波器的系數(shù)。

圖3 16階FIR濾波器模型

圖4 32階FIR濾波器的設(shè)計流程

3 光柵信號的濾波效果

根據(jù)實測光柵信號和32階FIR濾波器的設(shè)計流程，需在Matlab/Simulink環(huán)境下建立一個mdl模型文件，用圖形方式調(diào)用DSP Builder和其他Simulink庫中的圖形模型(Block)，以構(gòu)成算法級的設(shè)計框圖。

為了驗證設(shè)計的Simulink模型(圖5)的正確性，對它進行仿真驗證，結(jié)果如圖6所示。可見，經(jīng)濾波處理的光柵信號基本濾除了噪聲干擾，證實基于Simulink的DSP Builder模型是正確的。但Simulink仿真屬系統(tǒng)驗證性質(zhì)，是對mdl文件進行仿真，并未對生成的VHDL代碼進行仿真。生成的VHDL描述的是RTL級，是針對具體硬件結(jié)構(gòu)的；而Matlab/Simulink的模型仿真是算法級的，是針對算法實現(xiàn)的。因此轉(zhuǎn)換后的VHDL代碼實現(xiàn)可能與mdl模型描述的情況不完全相符，需對生成的RTL級VHDL代碼進行功能仿真。為此，在Simulink模型仿真之后，用DSP Builder的Signal Compiler模塊把mdl文件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL文件，再用DSP Builder的Test Bench模塊生成針對VHDL仿真器Modelism的測試文件進行仿真，如圖7所示。

圖5 32階FIR濾波器的Simulink模型

a. 濾波前

b. 濾波后圖6 Simulink仿真結(jié)果

圖7 Modelsim的RTL仿真結(jié)果

上述仿真實驗驗證了該32階FIR濾波器設(shè)計的正確性。最終，筆者將設(shè)計的32階FIR濾波器在FPGA硬件系統(tǒng)(圖8)中實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括AD轉(zhuǎn)換模塊、FPGA、DA轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊4部分。其中，F(xiàn)PGA模塊采用的是Cyclone系列FPGA芯片EP3C16Q240C8；AD轉(zhuǎn)換模塊采用TLC5510芯片，目的是將模擬信號進行數(shù)字化并送入FPGA中進行數(shù)字濾波；DA模塊采用DAC7643芯片，將FPGA處理后輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

圖8 FPGA硬件系統(tǒng)

用示波器的A通道和B通道同時觀察輸入的原始光柵信號(AD輸入波形)和經(jīng)過FPGA硬件實現(xiàn)后的濾波信號(DA輸出波形)，如圖9所示。csv格式的原始信號數(shù)據(jù)導(dǎo)入可編程函數(shù)信號發(fā)生器33250A后，由于可編程函數(shù)信號發(fā)生器的csv數(shù)據(jù)格式和示波器保存的csv數(shù)據(jù)格式不同，因此信號幅度和頻率都會發(fā)生改變。示波器的csv數(shù)據(jù)格式是時間與幅度一一對應(yīng)的，而可編程函數(shù)信號發(fā)生器是以導(dǎo)入幾個波形為一個周期的，且其可編程軟件可將信號幅度放大，但整體波形規(guī)律不會改變。

圖9 AD輸入波形和DA輸出波形

4 結(jié)束語

筆者利用DSP Builder技術(shù)，將Matlab/Simulink和QuartusII設(shè)計工具有效結(jié)合，設(shè)計32階FIR濾波器模塊，并在FPGA開發(fā)板上實現(xiàn)了對實測光柵信號的數(shù)字濾波處理。借助Matlab/Simulink和Modelsim進行的仿真分析結(jié)果表明：通過Simulink仿真實現(xiàn)了光柵信號的去噪處理，說明此濾波器設(shè)計在Matlab中的正確性；Modelsim仿真得到了相同的結(jié)論，所以基于DSP Builder的32階FIR濾波器是可行的；為了更準(zhǔn)確地說明此方法可以在硬件環(huán)境下實現(xiàn)，把生成的VHDL代碼封裝成模塊移植至FPGA開發(fā)板，并用示波器觀察輸入輸出信號(即實測光柵信號和濾波后的光柵信號)，結(jié)果與用Simulink和Modelsim仿真得到的相同。

[1] 胡曉東,彭瑯,雷明,等.一種光柵信號細分算法的FPGA實現(xiàn)[J].光子學(xué)報,2011,40(3):407～412.

[2] 羅華,高山,李翔龍.粗光柵信號全數(shù)字化處理法實現(xiàn)高倍數(shù)細分[J].光學(xué)精密工程,2007,15(2):283～288.

[3] 朱好學(xué).基于FPGA的高階FIR濾波器設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

[4] 郝小江,黃昆.FIR數(shù)字濾波器設(shè)計及其FPGA實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(19):22～24.

[5] 潘松,黃繼業(yè),王國棟.現(xiàn)代DSP技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003:163～164.

[6] 高耀鴻.基于FPGA的FIR低通濾波器[D].長沙:湖南大學(xué),2012.

(Continued on Page 332)

FPGA-basedImplementationofFIRFilterforGratingSignals

YANG Xiao-han, LI Bin-hua, DING Xu

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China)

TH865

A

1000-3932(2016)03-0272-06

2016-01-12(修改稿)