FIR 数字滤波器的详细设计 - 使用FPGA构建的数字滤波器设计方案

　　3 FIR 数字滤波器的详细设计

　　3.1 FIR数字滤波器模块设计与系统级仿真

　　根据FIR数字滤波器的原理，在Simulink环境下搭建16阶的FIR数字滤波器结构，如图3所示。

　　在模型的搭建过程中，使用了两个8位的Shift Taps移位寄存器模块对输入信号进行分解，然后根据数字滤波器的原理进行算法计算。

　　

　　模型搭建好之后，需要确定16阶FIR数字滤波器的系数，在这使用Matlab中的FDATool滤波器设计工具来确定。确定好滤波器的指标：

　　（1）设计一个16阶的FIR 滤波器；

　　（2）低通滤波器；

　　（3）采样频率fs为16 384 Hz，截频点频率fs为533 Hz;

　　（4）输入序列位宽为16位。

　　在设计滤波器界面中，如图4所示，进行下列选择：

　　（1）滤波器类型（Filter Type）为低通（Lowpass）；

　　（2）设计方法（Design Method）为FIR，采用窗口法（Window）；

　　（3）滤波器阶数（Filter Order）定制为15（设置为15 阶而不是16阶，是由于设计的16阶FIR滤波器的常系数项h（0）=0）；

　　（4）滤波器窗口类型为Kaiser，Beta为0.5.

　　所有的选项确定好后，在FDATool滤波器设计界面中点击“Design Filter”，Matlab就会计算滤波器系数并作相关分析。图5所示为滤波器的幅频响应，图6所示为滤波器的阶跃响应。

　　

　　

　　由于所有的模块都在同一个Simulink图中，这时的Simulink设计图显得很复杂，不利于阅读和排错，因此把FIR数字滤波器模型做成一个子系统在设计图中显示出来，如图7所示，这就是Matlab中的层次化设计，在顶层设计图中，滤波器作为名称是SubFIR_533_16js的一个模块出现。同时，图7中还设置了其他模块，包括仿真信号输入模块、Signal Tap Ⅱ信号实时监测模块、Signal Compiler模块、硬件开发板模块、TestBench模块。

　　

　　这样整个滤波器的Simulink电路设计模型就完成了，然后要对该模型进行系统级仿真，查看其仿真结果，在频率为533 Hz的波形输入上加入了频率为3 600 Hz的扰动波形，其Simulink仿真结果如图8所示。

　　

　　图中，上面的波形是533 Hz的输出，中间的波形是533 Hz加上3 600 Hz高频干扰后的输出，下面的波形是经过滤波后的输出。

　　3.2 从模型文件到Verilog代码的RTL级转换和编译适配

　　利用Signal Compiler模块将电路模型文件即Simu-link 模块文件（。mdl）转换成RTL 级的Verilog 代码表述和Tcl（工具命令语言）脚本。这种转换是用来对数字滤波器Simulink模型进行结构化分析的［5］。获得转换好的VHDL描述后就可以调用 Verilog综合器，这里我们选用Quartus Ⅱ，用来生成底层网表文件，同时也就可以得到其网表文件对应的RTL电路图。如图9所示。

　　

　　3.3 数字滤波器的ModelSim功能仿真

　　ModelSim软件可支持VHDL和Verilog混合仿真，无论是FPGA设计的RTL级和门级电路仿真，还是系统的功能仿真都可以用ModelSim来实现［4-5］。由Signal Com-piler生成的Verilog硬件描述语言模块，在ModelSim中可以直接对Verilog代码进行仿真，检测源代码是否符合功能要求。图 10所示的16阶FIR数字滤波器的功能仿真结果图。与图8的Simulink仿真结果图的波形一致，表明经过转换的Verilog源代码可以实现正常的滤波功能。

　　

　　3.4 FIR数字滤波器的FPGA硬件实现

　　FIR数字滤波器一般是嵌入在采集器的采集板卡中进行工作的，把由数字滤波器的Verilog源代码生成的模块嵌入到采集板卡的FPGA逻辑中，如图11所示。

　　在Quartus Ⅱ环境下，数字滤波器的内部逻辑经过编译适配之后，以。sof文件的形式直接加载到FPGA中。

　　

　　4 FIR 数字滤波器的FPGA 实时测试

　　进行实时测试的电路是应用FPGA和USB的数据采集电路，如图12所示。

　　

　　测试时把信号发生器设置好的输入信号输入到A/D，采样得到的数据经过FPGA，再通过USB与PC机相连，应用QuartusⅡ中的SignalTapⅡ工具进行实时检测，结果如图13所示，其中，上面的波形为输入波形，频率为200 Hz，下面的波形为输出波形，由于200 Hz在低通的带通内，所以两者的波形相差不大。当输入波形为频率533 Hz时，由于是在截频点，其输出波形的幅值约为输入波形幅值的71%，如图13和14所示。

　　

　　

　　5 结束

　　FIR数字滤波器在数字信号处理领域有着广泛的使用，本文通过仿真和实时验证两种方式实现了一种基于FPGA和DSP Builder的FIR数字滤波器。先根据FIR滤波器的基本原理和结构框图搭建了滤波器的模型，再根据滤波器的性能指标通过FDATool工具对其进行设计，并通过系统级仿真和ModelSim功能仿真进行了简要的可行性分析，最后通过QuartusⅡ软件对FIR数字滤波器进行实时验证，表明本方案所设计的FIR 滤波器功能正确，性能良好。