基于IP核的FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0.引言

　　FIR(Finite Impulse Response，有限沖擊響應(yīng))數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、可以實(shí)現(xiàn)線性相位等優(yōu)點(diǎn)，廣泛被應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)與處理等領(lǐng)域[1,2]。由于FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)基于查找表的結(jié)構(gòu)和全硬件并行執(zhí)行的特性，如何用FPGA 來實(shí)現(xiàn)高速FIR 數(shù)字濾波器成了近年來數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，全球兩大PLD 器件供應(yīng)商都提供了加速FPGA 開發(fā)的IP(IntelligentProperty，知識(shí)產(chǎn)權(quán))核[3]。本文在Altera 公司的FIR 數(shù)字濾波器IP 核的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于分布式算法的FIR數(shù)字低通濾波器。

　　1.基于DSP Builder的設(shè)計(jì)流程

　　圖1 是基于DSP Builder 開發(fā)DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程[4,5]。首先調(diào)用DSP Builder 工具包中的元件構(gòu)建電路模型。電路模型建立以后再進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的仿真。仿真通過以后運(yùn)行SignalCompiler 將模型文件轉(zhuǎn)化成RTL 級(jí)的VHDL 代碼。轉(zhuǎn)化成功以后，再調(diào)用VHDL 綜合器進(jìn)行綜合生成底層網(wǎng)表文件。然后調(diào)用QuartusII 進(jìn)行編譯，QuartusII 根據(jù)網(wǎng)表文件及設(shè)置的優(yōu)化約束條件進(jìn)行布線布局和優(yōu)化設(shè)計(jì)的適配，最后生成編程文件和仿真文件。生成的POF/SOF FPGA 配置文件用于對(duì)目標(biāo)器件的編程配置和硬件實(shí)現(xiàn)。仿真文件主要是用于QuartusII 的門級(jí)仿真文件和用于ModelSim 的時(shí)序仿真文件和VHDL 仿真激勵(lì)文件，用于實(shí)時(shí)測(cè)試DSP系統(tǒng)的工作性能。

　　圖1 基于DSP Builder 的設(shè)計(jì)方法

　　2.建模與仿真

　　在DSP Builder 中調(diào)用FIR 數(shù)字濾波器IP 核，設(shè)置參數(shù)：濾波器類型：低通濾波器;截止頻率：5E2Hz，采樣頻率：1E4Hz;濾波器階數(shù)：16;窗函數(shù)類型：漢寧窗。濾波器系數(shù)如表1 所示：

　　表1 濾波器系數(shù)

　　調(diào)用FIR 濾波器IP 核以及DSP Builder 中的相關(guān)元件，構(gòu)建了FIR低通濾波器的仿真模型，如圖2 所示。如圖2 所示，輸入信號(hào)頻率為200Hz、1000Hz、2000Hz 正弦波和寬帶白噪聲疊加而成的信號(hào)。

　　圖2 FIR濾波器仿真模型

　　圖3 Simulink 仿真波形圖

　　仿真以后，此信號(hào)經(jīng)過截止頻率為500Hz 的低通濾波器濾波以后，1000Hz 和2000Hz 的高頻正弦波均被較好的濾除了。濾波前后的時(shí)域波形圖如圖3 所示。圖4 是濾波前后信號(hào)的頻譜圖?？梢钥闯觯?6階的濾波器濾波性能符合要求。

　　圖4 濾波前后頻譜圖

　　3.結(jié)果分析

　　圖5 FIR低通濾波器RTL仿真波形

　　仿真通過以后，再運(yùn)行Signal Compiler 將此模型轉(zhuǎn)換成RTL 寄存器傳輸級(jí)的VHDL 硬件描述語言。再用Modelsim 軟件進(jìn)行寄存器傳輸級(jí)仿真。仿真結(jié)果如圖5 所示。

　　可以看出，經(jīng)過對(duì)轉(zhuǎn)換后的VHDL 語言進(jìn)行時(shí)序仿真，濾波效果良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用QuartusII 軟件進(jìn)行邏輯綜合與適配，最終在Cyclone II 系列EP2C35F672C8 芯片上獲得了最高響應(yīng)速度為151.88MHz 的高速FIR 低通濾波器。資源使用情況：邏輯單元1347 /33216(4%)，全部組合邏輯872/33216(3%)，專業(yè)邏輯寄存器1231/33216(4%)，引腳29 /475(6%)，總存儲(chǔ)位41160/483840(9%)。

　　4.結(jié)論

　　FIR 濾波器的設(shè)計(jì)與FPGA 高速實(shí)現(xiàn)一直是信號(hào)處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，本文利用FIR 有限沖擊響應(yīng)濾波器IP 核，設(shè)計(jì)了截止頻率為500Hz 的FIR 低通濾波器，在Simulink 中建立了仿真模型并進(jìn)行了仿真。最終在EP2C35F672C8 型號(hào)FPGA 上得到了最高響應(yīng)頻率為151.88MHz 的高速FIR 低通濾波器。設(shè)計(jì)效率和濾波器性能得到了極大的提高。