基于IP核的FIR低通濾波器的設(shè)計與實現(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、可以實現(xiàn)線性相位等優(yōu)點，廣泛被應(yīng)用于信號檢測與處理等領(lǐng)域[1,2]。由于FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）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 來實現(xiàn)高速FIR 數(shù)字濾波器成了近年來數(shù)字信號處理領(lǐng)域研究的熱點。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)計流程
圖1 是基于DSP Builder 開發(fā)DSP 系統(tǒng)的設(shè)計流程[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行系統(tǒng)級的仿真。仿真通過以后運行SignalCompiler 將模型文件轉(zhuǎn)化成RTL 級的VHDL 代碼。轉(zhuǎn)化成功以后，再調(diào)用VHDL 綜合器進行綜合生成底層網(wǎng)表文件。然后調(diào)用QuartusII 進行編譯，QuartusII 根據(jù)網(wǎng)表文件及設(shè)置的優(yōu)化約束條件進行布線布局和優(yōu)化設(shè)計的適配，最后生成編程文件和仿真文件。生成的POF/SOF FPGA 配置文件用于對目標(biāo)器件的編程配置和硬件實現(xiàn)。仿真文件主要是用于QuartusII 的門級仿真文件和用于ModelSim 的時序仿真文件和VHDL 仿真激勵文件，用于實時測試DSP系統(tǒng)的工作性能。
圖1 基于DSP Builder 的設(shè)計方法
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，輸入信號頻率為200Hz、1000Hz、2000Hz 正弦波和寬帶白噪聲疊加而成的信號。
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。濾波前后的時域波形圖如圖3 所示。圖4 是濾波前后信號的頻譜圖?？梢钥闯?，此16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，再運行Signal Compiler 將此模型轉(zhuǎn)換成RTL 寄存器傳輸級的VHDL 硬件描述語言。再用Modelsim 軟件進行寄存器傳輸級仿真。仿真結(jié)果如圖5 所示。
可以看出，經(jīng)過對轉(zhuǎn)換后的VHDL 語言進行時序仿真，濾波效果良好，進一步驗證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用QuartusII 軟件進行邏輯綜合與適配，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%），總存儲位41160/483840（9%）。
4.結(jié)論
FIR 濾波器的設(shè)計與FPGA 高速實現(xiàn)一直是信號處理領(lǐng)域研究的熱點，本文利用FIR 有限沖擊響應(yīng)濾波器IP 核，設(shè)計了截止頻率為500Hz 的FIR 低通濾波器，在Simulink 中建立了仿真模型并進行了仿真。最終在EP2C35F672C8 型號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)計效率和濾波器性能得到了極大的提高。
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