基于SoPC的FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    數(shù)字濾波(idgital filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種計(jì)算方法。其功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器根據(jù)頻域特性可分為低通、高通、帶通和帶阻4個(gè)基本類型；根據(jù)時(shí)域特性可分為無(wú)限脈沖響應(yīng)(infinite impulse response，IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)濾波器。FIR濾波器不存在穩(wěn)定性和是否可實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，容易做到線性相位，故在數(shù)據(jù)通信、圖像處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
    目前，F(xiàn)IR濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)有以下幾種方式：一種是使用通用數(shù)字濾波器集成電路，這種電路使用簡(jiǎn)單，但是由于字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不易完全滿足實(shí)際需要；雖然可采用多片擴(kuò)展來(lái)滿足要求，但會(huì)增加體積和功耗，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。另一種是使用DSP芯片，DSP芯片有專用的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)可調(diào)用，實(shí)現(xiàn)FIR濾波器相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于程序順序執(zhí)行，速度受到限制。而且，就是同一公司不同系統(tǒng)的DSP芯片，其編程指令也會(huì)有所不同，開發(fā)周期較長(zhǎng)。還有一種是使用可編程邏輯器件，如FPGA(field programmable gate array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯塊整列和豐富的連線資源，特別適合用于細(xì)粒度和高并行度結(jié)構(gòu)的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于串行運(yùn)算主導(dǎo)的通用DSP芯片來(lái)說(shuō)，并行性和可擴(kuò)展性都更好。
    本文介紹一種基于SoPC的FIR濾波器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)流程如圖l所示。該設(shè)計(jì)方法程序簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，得到的FIR濾波器精確度高。

1 FIR濾波器原理
   FIR數(shù)字濾波器是一種非遞歸系統(tǒng)，其沖激響應(yīng)總是有限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可以記為：，最基本的FIR濾波器可用下式表示是輸入采樣序列；h(m)是濾波器系數(shù)；N是濾波器的階數(shù)；y(n)表示濾波器的輸出序列。也可以用卷積來(lái)表示輸出序列y(n)與x(n)，h(n)的關(guān)系：
y(n)=x(n)*h(n)
    圖2顯示了一個(gè)典型的直接T型3階FIR濾波器，其輸出序列y(n)滿足下列等式：
   
    在該FIR濾波器中，總共存在3個(gè)延時(shí)結(jié)，4個(gè)乘法單元，1個(gè)4輸入的加法器。如果采用普通的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)，只能用串行的方式順序地執(zhí)行延時(shí)、乘加操作，不可能在1個(gè)DSP處理器指令周期內(nèi)完成，必須用多個(gè)指令周期來(lái)完成。但如果采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，就可以采用并行結(jié)構(gòu)，在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)得到1個(gè)FIR濾波器的輸出。不難發(fā)現(xiàn)，圖2的電路結(jié)構(gòu)是一種流水線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在硬件系統(tǒng)中有利于并行高速運(yùn)行。

2 FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)
    Altera提供的FIR Complier是結(jié)合Altera FPGA器件的FIR Filter Core，DSP Builder與FIR Compiler可以緊密結(jié)合起來(lái)。DSP Builder提供了FIR Core的應(yīng)用環(huán)境和仿真驗(yàn)證環(huán)境。
2．1 建立模型文件
    為了調(diào)用FIR IP Core，在Simulink環(huán)境中新建模型文件，放置Sigtlal Compiler模塊和FIR模塊。啟動(dòng)Simulink的方法：打開Matlab，在主命令窗口直接鍵入Simulink，按回車即可。然后打開Altera DSP Builder模塊，在MegaCore Functions調(diào)出fir_compiler_v7_0。
2．2 配置FIR濾波器核
    雙擊模型中的FIR模塊，在彈出來(lái)的選擇窗口中有：關(guān)于這個(gè)核(about this core)、程序說(shuō)明書(documentation)、顯示元件(display symb01)、步驟1確定參數(shù)(Stepl：Parameterize)和步驟2生成(Step2：Generate)等4個(gè)不同的選項(xiàng)。點(diǎn)擊stepl，便打開了FIR濾波器核的參數(shù)設(shè)置窗口，如圖3所示。

    由圖3可見(jiàn)，濾波器的系數(shù)精度為32位，器件為CycloneⅢ，結(jié)構(gòu)為并行濾波器，結(jié)構(gòu)選擇了1級(jí)流水線，濾波器由LC邏輯宏單元構(gòu)成，系數(shù)數(shù)據(jù)存于FPGA的M9K模塊中，1個(gè)輸入通道，32位有符號(hào)并行輸入，全精度數(shù)據(jù)輸出。設(shè)定后會(huì)直接顯示濾波器的頻率響應(yīng)(frequency res-ponse)或時(shí)域響應(yīng)及系數(shù)值(timeresponse & coefficeient values)。由其頻率響應(yīng)圖可以看出，此FIR濾波器為低通濾波器。如果不符合設(shè)計(jì)要求，則可以通過(guò)對(duì)Edit Coefficient Set選項(xiàng)，對(duì)濾波器進(jìn)行重新配置。
2．3 生成VHDL語(yǔ)言
    完成FIR濾波器核配置后，便可得到設(shè)計(jì)好的濾波器，加入輸入／輸出信號(hào)，形成如圖4所示電路。點(diǎn)擊SignalCompiler，再選擇Anal-yze，選擇Sigle step compilation中的Convert MDL to VHDL，就可以生成對(duì)應(yīng)的VHDL語(yǔ)言。

    在QuartusⅡ中打開編譯后生成的fir．qpf工程文件，可以得到濾波器的VHDL語(yǔ)言，其部分代碼如下：
   
    編譯成功后，可以將其轉(zhuǎn)換成元件。
2．4 系統(tǒng)功能仿真
    在Matlab中，建立M文件，運(yùn)用前面設(shè)置好參數(shù)所生成的FIR濾波器，打開FIR濾波器時(shí)域響應(yīng)與系數(shù)值(time response & coefficeient vahles)。得到該濾波器的時(shí)域響應(yīng)和系數(shù)值如圖5所示，由該系數(shù)表確定濾波器，并進(jìn)行算法級(jí)仿真，得到如圖6所示的波形。

    圖6(a)為濾波前信號(hào)，圖6(b)為濾波后信號(hào)。從仿真波形可以看出，經(jīng)過(guò)FIR濾波器之后，高次諧波信號(hào)被很好地濾除了，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 基本FPGA片上系統(tǒng)的功能測(cè)試
    設(shè)計(jì)目標(biāo)器件選用美國(guó)Altera公司Cyclone系列FPGA器件中的EP3C25E144C8N芯片，通過(guò)開發(fā)工具QuartusⅡ?qū)Ω鱾€(gè)模塊的VHDL源程序及頂層電路進(jìn)行編譯、邏輯綜合、電路的糾錯(cuò)、驗(yàn)證、自動(dòng)布局布線及仿真等各種測(cè)試，最終將設(shè)計(jì)編譯的數(shù)據(jù)下載到芯片中，同時(shí)與單片機(jī)AT89C51結(jié)合，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速處理和控制，實(shí)現(xiàn)鍵盤可設(shè)置參數(shù)及LCD顯示。經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)
    這種基于SoPC數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅利用Matlab中的Simulink與Alterl DSP Builder工具確定FIR濾波器系數(shù)，不用編程，只需簡(jiǎn)單的設(shè)置，而且通過(guò)VHDL層次化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)使FPGA與單片機(jī)相結(jié)合，采用C51及VHDL語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行優(yōu)化編程，進(jìn)一步完善了數(shù)據(jù)的快速處理和有效控制，提高了設(shè)計(jì)的靈活性、可靠性，也增強(qiáng)了系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性。