摘要：FIR數(shù)字濾波器以其良好的線性相位特性被廣泛使用，屬于數(shù)字信號處理的基本模塊之一。FPGA具有的靈活的可編程邏輯可以方便地實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理。為了提高實時數(shù)字信號處理的速度，利用FPGA芯片內(nèi)部的ROM實現(xiàn)一種查找表結構的FIR數(shù)字濾波器。并用MATAB對實驗結果進行仿真和分析，證明了設計的可行性。
關鍵詞：有限沖擊響應濾波器；硬件描述語言；查找表；現(xiàn)場可編程門陣列
0 引言
數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的重要組成部分，其作用是從接收信號中提取出需要的信息同時抑制干擾，由于FIR濾波器的沖擊響應是有限長的，因而有可能做成具有嚴格線性相位的。通常用以下兩種方法來實現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是把濾波器所要完成的運算編成程序并讓計算機執(zhí)行，也就是采用計算機軟件實現(xiàn)；另一種是設計專用的數(shù)字硬件、專用的數(shù)字信號處理器或采用通用的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。
常用的實時數(shù)字信號處理的器件有可編程的數(shù)字信號處理(DSP)芯片、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等。在工程實踐中，往往要求對信號處理要有高速性、實時性和靈活性，而已有的一些軟件和硬件實現(xiàn)方式則難以同時達到這幾方面的要求。隨著電子信息技術的快速發(fā)展，很多信號處理器件開始用FPGA來取代傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法相比，F(xiàn)PGA的顯著優(yōu)點是它的并行處理特性，可以顯著提高濾波器的數(shù)據(jù)吞吐率。
隨著可編程邏輯器件和EDA技術的發(fā)展，使用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字信號處理，既具有實時性，又兼顧了一定的靈活性。FPGA具有的靈活的可編程邏輯可以方便地實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理，突破了并行處理、流水級數(shù)的限制，有效地利用了片上資源，加上反復的可編程能力，越來越受到國內(nèi)外從事數(shù)字信號處理的研究者的青睞。
1 FIR濾波器的結構特點
數(shù)字濾波器通常分為有限沖擊響應(FIR)和無限沖擊響應(IIR)兩大類。FIR濾波器由以下幾個特點：
(1)系統(tǒng)的單位沖擊響應h(n)在有限個n值處不為零；
(2)系統(tǒng)函數(shù)H(Z)在|Z|>0處收斂，在|Z|>0處只有零點，有限z平面只有零點，而全部極點都在z=0處(因果系統(tǒng))；
(3)結構上主要是非遞歸結構，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結構(例如抽樣頻率結構)也包含有反饋的部分；
設FIR濾波器的單位沖擊響應h(n)為一個N點序列，0≤n≤N-1，則濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：
就是說它有N-1階極點在z=0處，有個N-1零點位于有限z平面的任何位置。
FIR濾波器有以下幾種基本結構：橫截型(卷積型、直接型)；級聯(lián)型；頻率抽樣型。這里，我們主要討論直接型FIR濾波器的實現(xiàn)。
式(1)的系統(tǒng)的差分方程表達式為：
很明顯，這就是線性移不變系統(tǒng)的卷積和公式，也是x(n)的延時鏈的橫向結構。
2 FPGA概述及特點
FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，是20世紀90年代發(fā)展起來的。大部分FPGA采用基于SRAM的查找表(look up table，LUT)結構，也有一些軍品和宇航級FPGA采用FLASH或者反熔絲工藝的查找表結構以提高可靠性。它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，具有更高的集成度，更強的邏輯實現(xiàn)能力和更好的設計靈活性。FPGA由許多獨立的可編程邏輯模塊組成，用戶可以通過編程將這些模塊連接起來實現(xiàn)不同的設計。FPGA器件的產(chǎn)生將半定制的門陣列電路的優(yōu)點和可編程邏輯器件的用戶可編程特性結合在一起。既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程邏輯器件門電路數(shù)量有限的缺點。
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸入輸出模塊IOB(InputOutput Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。FPGA的基本特點如下。
(1)采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到可用的芯片；
(2)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳資源；
(3)FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的中試樣片；
(4)FPGA是ASIC電路中設計周期最短，開發(fā)費用最低，風險最小的器件之一。
(5)FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。
可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高集成度、可靠性的最佳選擇之一。隨著集成度密度的不斷提高，F(xiàn)PGA器件幾乎可以實現(xiàn)所有的數(shù)字電路功能。目前，器件集成度已經(jīng)達到了數(shù)百萬門數(shù)量級，工作頻率可達300MHz以上。一般可在幾個小時或幾天內(nèi)完成一個設計，并可隨時修改。這加速了產(chǎn)品設計開發(fā)的進程，免去了昂貴的ASIC(專用集成電路(器件半導體生產(chǎn)工藝費用及投資風險，因此，F(xiàn)PGA技術已經(jīng)成為電子工程師不可缺少的好幫手。
[!--empirenews.page--]
3 查找表結構的FIR算法
LUT本質(zhì)上是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個具有4位地址線的16×1的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有結果，并把結果寫到RAM中，當輸入一個信號進行運算就等于輸入一個地址，找出對應的內(nèi)容，然后輸出。
由式(2)可見FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)是一種卷積的運算形式。如果用FPGA直接實現(xiàn)則計算速度很慢且占用大量的LE(邏輯單元)，達不到系統(tǒng)對實時性的要求，于是想到能否將上述卷積運算轉(zhuǎn)化成加減運算。
分布式算法(distributed arithmetic，DA)早在1973年就已經(jīng)被Croisier提出來了，但是直到FPGA出現(xiàn)以后，才被廣泛應用在FPGA中計算乘積和。
設FIR濾波器的階數(shù)為N，輸入數(shù)據(jù)x(n)的位寬為k，則x(n)可表示為：
也就是說：我們可以把每個輸入數(shù)據(jù)的每一位的值分別與相應的FIR系數(shù)相乘(因為x(n)為數(shù)字信號，每個輸入數(shù)據(jù)的每一位的值都為0或1，所以與h(n)相乘的結果非0即為h(n))然后再相加，然后再把所有位的相加值錯位相加，可得到卷積的結果從而實現(xiàn)了將卷積運算轉(zhuǎn)換成加法運算。
這樣我們就可以針對N階FIR濾波器的系數(shù)預先建立一個2的N次方的一個存儲表，將系數(shù)和存放在對應的存儲單元中。進行卷積運算時把輸入數(shù)據(jù)的每一位組合成地址碼，通過地址查找到相應的系數(shù)和，然后把所有位數(shù)的系數(shù)和移位相加即可完成卷積運算。通過查表的方式可以大大減少求和的次數(shù)，提高運算速度。
4 設計思路及步驟
4．1 FPGA系統(tǒng)設計的方法
用FPGA實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設計一般可分成以下幾個步驟：設計輸入、功能仿真、編譯綜合生成網(wǎng)表文件、設計實現(xiàn)、時序仿真、下載到芯片進行硬件驗證。在每一步檢查到的錯誤或缺陷都可以返回到上一層進行修改。
隨著數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，其復雜度也隨之增大。層次化設計將系統(tǒng)逐層分為較小的、規(guī)?？煽刂频哪K，是控制數(shù)字系統(tǒng)設計復雜度的一種有效方法。
層次化設計中有兩個重要的核心思想，即模塊化和原件重用。模塊化是指將系統(tǒng)劃分為幾個子模塊，而這些子模塊又分別劃分為更小的模塊，直至不可再分。每個模塊都可以看成是上一層模塊的一個元件。原件重用是指同一個原件可以被不同的實體調(diào)用，或者被同一個實體多次調(diào)用。這樣不但大大減輕了設計者的工作量，而且使程序結構更加優(yōu)化，具有更好的可讀性。
4. 2 設計實例的參數(shù)選取及生成
MATLAB的信號處理工具箱中包括許多可用于設計FIR數(shù)字濾波器的M文件。根據(jù)要設計的濾波器的參數(shù)、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、采樣頻率、通帶或阻帶波紋要求等參數(shù)，可以利用MATLAB中的數(shù)字信號處理工具箱生成濾波器的系數(shù)。
在設計中，采用16階FIR，輸入數(shù)據(jù)寬12位，濾波器系數(shù)以及由這些系數(shù)演算出的ROM的初始化數(shù)據(jù)文件*．mif文件可以通過MATLAB計算生成。
因為是16階的FIR，這樣就需要65536個ROM單元來實現(xiàn)，ROM單元的位寬采用16位。利用器件中的ROM建立這樣的查找表，首先要將ROM的初始化數(shù)據(jù)寫到*．mif文件中，然后在Ouartsus II中將其指向?qū)腞OM設計模塊。
當FIR的階數(shù)增大時，ROM的存儲量是以2的倍數(shù)增長的，因此采用一個ROM快分時查找表的方法來降低對ROM存儲容量的要求。
4．3 模塊化設計
用原理圖和VHDL相結合的輸入方式，分模塊進行設計，項層模塊采用圖形化輸入，在Quartsus II中進行設計輸入。
系統(tǒng)由控制模塊、輸入數(shù)據(jù)移位模塊、地址發(fā)生模塊、存儲器模塊、運算模塊等組成。下面介紹每一模塊的基本功能。
(1)控制模塊的作用是產(chǎn)生一系列的控制信號，對上述各種模塊進行精確的控制?？刂颇K在收到A／D轉(zhuǎn)換結束信號后，依次產(chǎn)生移位寄存器使能信號、并行到串行轉(zhuǎn)換的裝入信號、移位相加的裝入信號、加減控制信號和濾波器結果輸出信號等控制信號。使上述各個模塊按照一定的時序進行操作，最終完成濾波功能。該模塊采用VHDL的描述方式比較方便。
(2)輸入數(shù)據(jù)移位模塊的主要功能是使A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過不同的觸發(fā)器，從而產(chǎn)生不同的延遲，以便取出輸入數(shù)據(jù)不同位置上的數(shù)值，來構成ROM的地址。
(3)地址發(fā)生器模塊的主要功能是將通過輸入數(shù)據(jù)移位模塊的不同延遲分別轉(zhuǎn)換為查找表的串行地址，提供給存儲器模塊。根據(jù)結構化的程序設計思想，本模塊可由12個單通道并、串轉(zhuǎn)換模塊組成。
(4)存儲器模塊是這種查找表結構FIR的核心。FPGA中ROM模塊的設計可以通過Quartsus II軟件中的Mega Wizard向?qū)砩伞?br />
(5)運算模塊主要功能是將ROM的輸出數(shù)據(jù)在此進行移位相加。這里實現(xiàn)的主要是加法和減法運算，運算速度很快。
最后的項層模塊采用圖形化輸入，這樣可以使設計思路更加清晰，也符合自上而下的FPGA主流設計方法。
[!--empirenews.page--]
5 仿真驗證
為了驗證設計的正確性，必須對設計進行全面充分的功能仿真和時序仿真，功能仿真一般用Mentor公司的Modelsim來進行，時序仿真使用QuartusII軟件。Altera公司提供的QuartusII軟件除了具有強大的編譯綜合功能之外，還提供了一定的波形(時序)仿真功能。因其輸入和輸出都是以波形的形式給出的，雖然看起來如同邏輯分析儀的輸出形式，比較直觀，但是難以對隨機信號進行輸入；隨機信號的輸出也難以分析，這就給我們的驗證工作帶來了很大的障礙。下面我們利用MATLAB與QuartusII實現(xiàn)聯(lián)合仿真。
5．1 產(chǎn)生向量仿真文件
在MATLB中生成OuartusII仿真所需的輸入文件*．vec。QuartusII仿真文件有兩種格式，即*．vwf格式和*．vec格式。前者是在Quart-usII中通過波形編輯器生成的。當方針輸入數(shù)據(jù)復雜時，用波形輸入的方法難以勝任，特別是在數(shù)字信號處理領域，大多數(shù)仿真輸入數(shù)據(jù)要疊加噪聲，采用波形輸入方式是不現(xiàn)實的。后者是按一定格式要求的文本文件輸入方式，可以利用任何文本編輯器產(chǎn)生，只要符合對仿真文件的格式要求即可。
這里的仿真輸入數(shù)據(jù)是在兩個不同頻率上的正弦波，頻率分別為23Hz、58Hz。把這兩個信號疊加在一起作為輸入信號，用MATLAB軟件生成仿真所需的vec文件。FIR濾波器的截止頻率為40Hz。
在對仿真參數(shù)進行設置時，將仿真向量文件指向由MATLAB生成的文件，即可將MATLAB中生成的仿真信號導入之中進行仿真了。
5．2 驗證輸出結果
用QuartusII軟件中的選項將仿真向量文件指向由MTLAB生成的*．vec文件，進行仿真。
將仿真結束后生成的波形文件，另存為*．tbl格式文件，以數(shù)據(jù)文件輸入的方式將此*．tbl文件中的仿真輸出信號的數(shù)值導入至MATLAB中，并進行頻譜分析驗證FIR數(shù)字濾波器設計的正確與否，并分析其性能優(yōu)劣。
圖1是輸入信號的時域和頻域圖形，以及經(jīng)過理想的低通濾波后得到的結果。低通濾波用MATLAB實現(xiàn)。可以看出經(jīng)過濾波后，23Hz的頻率成分被保留下來，而58Hz的頻率成分被濾掉。圖2是同一輸入信號的時域和頻域圖形，以及經(jīng)過FPGA實現(xiàn)的FIR數(shù)字濾波器低通濾波后的結果。
6 結束語
從這兩幅圖中，我們可以看到用FPGA實現(xiàn)的FIR濾波器，得到了和理論上濾波相似的結果，證明了設計的可行性及正確性。如果需要不同的濾波器，我們只要改變輸入到ROM中的初始化文件數(shù)據(jù)即可。
下載文檔
