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(多图) 基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真

王静 鱼云岐?? 2009年01月23日 ?? 收藏0

  1 引言

  实现数字化是控制系统的重要发展方向,而数字信号处理已在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天等领域广泛应用。数字信号处理方法通常涉及变换、滤波、频谱分析、编码解码等处理。数字滤波是重要环节,它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求,克服模拟滤波器所无法解决的电压和温度漂移以及噪声等问题。而有限冲激响应FIR滤波器在设计任意幅频特性的同时能够保证严格的线性相位特性。利用FPGA可以重复配置高精度的FIR滤波器,使用VHDL硬件描述语言改变滤波器的系数和阶数,并能实现大量的卷积运算算法。结合MATLAB工具软件的辅助设计,使得FIR滤波器具有快速、灵活、适用性强,硬件资源耗费少等特点。

  2 基本原理

  分布式算法(Distributed Arithmetic,简称DA)是一项重要的FPGA技术,广泛应用在计算乘积和之中。该算法基本原理如下:

  一线性时不变网络输出:

公式

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  设系数c[n]是已知常数,x[n]是变量,在有符号DA系统中假设变量x[n]的表达式为:

公式

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  式中xb[n]为x[n]的第b位,而x[n]也就是x的第n次采样。于是,内积y可以表示为:

公式

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  分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法。它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序。该算法利用一个查找表(LUT)实现映射,即用一个2N字宽、预先编好程序的LUT接收一个N位输入向量xb=[xb[0]],xb[1],…,xb[N-1]]的映射,经查找表的查找后直接输出部分积。与传统算法相比,分布式算法可极大的减少硬件电路的规模,提高电路的执行速度。

  3 FIR滤波器的设计与实现

  3.1 FIR滤波器系数的提取

  线性相位FIR滤波器通常采用窗函数法设计。这里采用MATLAB窗函数进行设计。窗函数设计的基本思想是要选取某一合适的理想频率选择性滤波器,然后将其脉冲响应截断获得一个线性相位和因果的FIR滤波器。根据给定的滤波器技术指标,选用凯泽(Kaiser)窗设计,其幅频特性和相频特性如图1所示。

幅频特性和相频特性

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  由于从MATLAB算出的系数h(n)的值是一组浮点数,而FPGA器件只是定点数计算,所以要将浮点数转换为定点数。为了获得最佳滤波器系数,转换时需对其进行处理,转换后系

公式

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公式

  3.2 FPGA实现FIR滤波器

  FPGA采用FLEXlOK系列中的EPF10K10 2C84—3器件。EDA 工具使用QuartusⅡ5.1。使用FIR滤波器描述编程,从而实现FIR滤波器的顶层原理图,如图2所示。

FIR滤波器的顶层原理图

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  4 FIR滤波器实验电路

  完成FIR滤波器程序设计后,可将程序编译时生成的配置文件下载到选用的器件中,配置后的器件就能够执行FIR滤波器的功能。为了验证设计的FIR滤波器的实际滤波效果,设计了一个实验电路,并利用测试仪器,组成了测试系统,如图3所示。该测试系统包含交流信号发生器、实验电路和示波器。而实验电路包括MD转换电路、FIR数字滤波电路和D/A转换电路,它是整个测试系统的重要部分。

测试系统框图

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  4.1 A/D转换电路

  A/D转换电路可将模拟信号转换为数字信号,其电路如图4所示。该转换电路中选用MAXIM公司的12位逐次逼近式A/D转换器MAXl83,其转换时间为3μs。MAXl83设置为双极性工作模式,模拟信号的输入范围是±5 V。

基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真图示

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  交流信号发生器发送的信号从连接器进入转换电路,经运算放大器OP07构成的反向比例放大电路送至MAXl83的模拟信号输入端AINl。在一定时序的控制下,完成将模拟信号转换为数字信号,并将其数字信号XIN[11..0]输出。该A/D转换器MAXl83的模拟信号输入端接入一个单级的RC低通滤波器,它实际上是一个简单的抗混叠滤波器。


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FPGA? FIR? 滤波器? 线性相位?

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