IIR數(shù)字濾波器的Matlab和FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：提出一種通過(guò)兩個(gè)二階節(jié)級(jí)聯(lián)構(gòu)成四階IIR數(shù)字橢圓濾波器的設(shè)計(jì)方法，并利用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)了通帶內(nèi)波紋不大于0．1 dB，阻帶衰減不小于42 dB的IIR數(shù)字濾波器。論述了一種采用可編程邏輯器件，通過(guò)VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)該濾波器的方法。給出了在QuartusⅡ軟件下的仿真結(jié)果，并在FPGA器件上驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞：無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器；Matlab；FPGA；VHDL

0 引言
    數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配，以及能夠?qū)崿F(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能等特點(diǎn)，因此數(shù)字濾波器被廣泛應(yīng)用于圖像處理和識(shí)別、語(yǔ)音處理和識(shí)別、通信、雷達(dá)、人工智能、核技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。
    數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法很多，采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)具有速度快、效率高、成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以直接使用Altera公司提供的FIR／IIR IP core或采用LPM的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、可靠。本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明如何通過(guò)Matlab設(shè)計(jì)并在FPGA器件上實(shí)現(xiàn)IIR橢圓函數(shù)濾波器。

1 IIR數(shù)字濾波器的Matlab設(shè)計(jì)
1．1 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)要求
    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：模擬信號(hào)采樣頻率為2 MHz，每周期最少采樣20點(diǎn)，即模擬信號(hào)的通帶邊緣頻率為fp=100 kHz，阻帶邊緣頻率fs=200 kHz，通帶波動(dòng)Rp≤0．1 dB(通帶誤差不大于5％)，阻帶衰減As≥42 dB。換算為數(shù)字域指標(biāo)為：Wp=0．1π，Ws=0．2π，Rp=0．1 dB，As=42 dB。
1．2 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方案
    (1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定濾波器數(shù)字域指標(biāo)
    換算為數(shù)字域指標(biāo)為：Wp=0．1π，Ws=0．2π，Rp=0．1 dB，As=42 dB。
    (2)采用Matlab軟件設(shè)計(jì)濾波器系統(tǒng)函數(shù)
    IIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)是采用計(jì)算機(jī)輔助工程CAE工具進(jìn)行設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)函數(shù)H(z)的計(jì)算采用Matlab軟件設(shè)計(jì)比較方便，其中有兩個(gè)現(xiàn)成的函數(shù)可以使用：ellipord(Wp／pi，Ws／pi，Rp，As)函數(shù)用來(lái)計(jì)算數(shù)字橢圓濾波器的階次N和3 dB截止頻率Wn；ellip(N，Rp，As，Wn)函數(shù)可以求得直接型橢圓IIR濾波器的各個(gè)系數(shù)。
    根據(jù)要求，設(shè)計(jì)采用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)IIR濾波器的源程序如下：
  
    利用Matlab軟件可以得到如下結(jié)果：
   
    這是一個(gè)四階IIR系統(tǒng)，通過(guò)Matlab計(jì)算出該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如圖1所示，可見(jiàn)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

    (3)確定濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)如果采用直接型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，則需用的乘法器和延遲單元相對(duì)較多，而且分子和分母的系數(shù)相差較大，需要較多的二進(jìn)制位數(shù)才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精度要求。
    為了克服上述缺點(diǎn)，采用二階級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。IIR濾波器采用級(jí)聯(lián)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既可以對(duì)各基本節(jié)的零點(diǎn)、極點(diǎn)方便地單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，又可以降低對(duì)二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的要求。
    這里采用Matlab中的“二階部分傳遞函數(shù)”tf2sos()完成IIR濾波器直接型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。
    將IIR濾波器由直接型變?yōu)榧?jí)聯(lián)型的Matlab語(yǔ)言源程序如下：

    可以看出，每個(gè)二階節(jié)的分子、分母系數(shù)差異減少了。值得注意的是，在分配二階節(jié)的增益時(shí)，要保證每個(gè)節(jié)不會(huì)發(fā)生運(yùn)算溢出，可以先用Matlab軟件分析計(jì)算來(lái)合理安排各節(jié)的增益。經(jīng)過(guò)計(jì)算，本文采用第一級(jí)分配0．162 6，第二級(jí)分配0．065 8，可以保證在要求的輸入范圍，沒(méi)有數(shù)據(jù)溢出發(fā)生。
    (4)濾波器參數(shù)量化
    差分方程的量化后各系數(shù)如表1所示，這里采用10位定點(diǎn)純小數(shù)補(bǔ)碼表示。

2 IIR數(shù)字濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
2．1 總體設(shè)計(jì)方案
    根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算可知，需要設(shè)計(jì)的IIR濾波器為2個(gè)二階節(jié)的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)形式，其二階節(jié)系統(tǒng)函數(shù)的差分方程均為：
   
    可以看出，一個(gè)二階節(jié)的實(shí)現(xiàn)，需要五次乘法運(yùn)算、四次加法運(yùn)算(采用二進(jìn)制補(bǔ)碼將減法運(yùn)算變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算)，兩個(gè)二階節(jié)共需要10次乘法運(yùn)算，所有乘法運(yùn)算均為無(wú)符號(hào)數(shù)的乘法運(yùn)算，所以使用時(shí)需要先將兩個(gè)補(bǔ)碼乘數(shù)轉(zhuǎn)換為無(wú)符號(hào)數(shù)相乘后，再將乘積轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼乘積輸出，送入累加器求和。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想可知，一個(gè)二階節(jié)系統(tǒng)均由控制模塊、移位模塊、求補(bǔ)模塊、乘法模塊和累加器模塊等模塊組成，其系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。

    由于IIR濾波器的兩個(gè)節(jié)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是系數(shù)不同，故另一個(gè)二階節(jié)的設(shè)計(jì)與此類(lèi)似。
2．2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)
    控制模塊主要用來(lái)產(chǎn)生對(duì)其他模塊的時(shí)序控制。
    累加模塊的功能是將10位×1位乘法器的5個(gè)輸出數(shù)據(jù)在10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)累加后，并將結(jié)果輸出。
    移位模塊主要完成數(shù)據(jù)交換功能，將輸入數(shù)據(jù)送入輸入寄存器x(n)中，同時(shí)將x(n)寄存器上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)送入x(n-1)寄存器，同時(shí)又將x(n-1)寄存器上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)送入x(n-2)寄存器。同理有y(n)→y(n-1)→y(n-2)。
    求補(bǔ)模塊主要根據(jù)每路乘法器2個(gè)輸入數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼，判斷輸入數(shù)據(jù)的正負(fù)，設(shè)置該路乘積結(jié)果正負(fù)標(biāo)志位，并對(duì)輸入的負(fù)數(shù)進(jìn)行求補(bǔ)運(yùn)算，保證乘積是在2個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)之間進(jìn)行，再根據(jù)該路乘積結(jié)果正負(fù)標(biāo)志位，對(duì)乘積結(jié)果進(jìn)行求補(bǔ)運(yùn)算，保證送入累加器的數(shù)據(jù)為補(bǔ)碼。
    將設(shè)計(jì)好的各模塊按照二階節(jié)系統(tǒng)電路框圖銜接，即可完成IIR濾波器其中一個(gè)二階節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。只要修改差分方程的系數(shù)就可完成另一個(gè)二階節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2．3 仿真結(jié)果
   各功能模塊設(shè)計(jì)、調(diào)測(cè)完成之后，按照總體設(shè)計(jì)方案完成IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)，并下載到Altera公司的EP1C6Q240C8器件上驗(yàn)證，QuartusⅡ中的仿真結(jié)果如圖3所示。

    圖3中：xn為輸入信號(hào)，采用單極性方波周期信號(hào)；頻率為100 kHz，在采樣頻率為2 MHz時(shí)，每個(gè)周期采樣20個(gè)點(diǎn)，換算成數(shù)字域頻率為0．1π；二次諧波的數(shù)字頻率為0．2π；yn為濾波輸出。觀(guān)察仿真波形可知，所設(shè)計(jì)的IIR濾波器符合設(shè)計(jì)要求。為了更直觀(guān)地觀(guān)察IIR濾波器濾波后的輸出結(jié)果，可將仿真波形文件轉(zhuǎn)換為*．tbl文件，在Matlab中描繪波形。

3 結(jié)語(yǔ)
    數(shù)字濾波器的應(yīng)用十分廣泛，實(shí)現(xiàn)方法很多，運(yùn)用Matlab語(yǔ)言，能很容易地設(shè)計(jì)出具有嚴(yán)格指標(biāo)要求的數(shù)字濾波器。采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了成本，提高了設(shè)計(jì)的可靠性、靈活性，為數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的方法。