原创 零基础学FPGA（ 三十二） 写在京城，多级FIR半带滤波器的FPGA实现

        每次到京城来总不能忘了出去逛逛吧，偌大的北京城去哪呢？炙热的大太阳烤的哪都不想去了，幸好这次有亲戚来北京旅游，搭个顺风车便出去转了一下。这次的闲逛可没有上次那么感叹，上次主要是去的高校，什么清华北大确实比一般学校壮观哈~也是多少人梦寐以求的高等学府。可惜只能作为一名游客的身份来逛一下清华校园了。

       北京旅游的地方还是不少的，其实一直想去长城看一下，所谓不到长城非好汉，可是这么热的天，真的是到了长城一身汗了~听说前门大街不错，小吃很多，虽然在长沙吃惯了各种南方小吃，来北京尝一下北京特色还是不错的。一路上最火的算是那个全聚德烤鸭了吧，这么热的天，还有那么多人排队在那等着买，怪不得上次我从北京走的时候在特产店里买了两只真空包装的不怎么好吃，什么东西都还得到旗舰店买哈~

       早就听说前门大街前几年刚开了一家杜莎夫人蜡像馆，也是即上海武汉之后的第三家了吧？上次去上海的时候很遗憾路过没进去，这次既然就在眼前怎么能错过~虽然门票贵了点，但是跟普京大帝合个影发一下朋友圈还是挺爽的哈~

       下面送上梅西蜡像一张，感觉还是挺像的，其实里面有些人物蜡像还是跟真人差别很远的，比如杰伦....

          好了，步入正题，这篇文章写一下关于FIR半带滤波器，并且采用Quartus II给我们提供的强大的FIR IP核进行设计并进行仿真。这篇文章写的很简单，内容不多，做起来也不复杂，简单记录一下我做的过程吧。

一、关于FIR半带滤波器

        首先再来说一下 FIR 半带滤波器的概念，之所以叫他FIR半带滤波器，是因为它本身具有FIR滤波器的本身具有的一些性质，其次它的幅频响应跟一般的FIR滤波器比起来有自己的特点，其实说白了，FIR半带滤波器就是一种特殊的FIR滤波器，它的具体特点概括如下：

      1、FIR半带滤波器的通带宽度与阻带宽度相同，并且它的通带容限与阻带容限也相同，这样说来也就是说，通带与阻带是关于π/4对称的，这也是半带滤波器这个名字的由来。

 

     根据FIR半带滤波器的特点我们知道，FIR半带滤波器的单位脉冲响应是偶数序号的系数为0，我们通过MATLAB函数直接调用生成的滤波器系数见下图，可见实际情况跟理论相符。

 

 

 

 

      既然FIR半带滤波器作为一种特殊的FIR滤波器，设计过程其实也跟之前说过的FIR滤波器差不多，先来回顾一下前面设计过的FIR滤波器。之前我们是先用MATLAB软件像上面那样，写出滤波器的设计指标，然后直接调用函数生成滤波器系数即可，然后我们手动将滤波器的系数用Verilog 语言放到FPGA中跟输入数据进行卷积运算完成滤波，如果需要降低或者提高采样率的话，还需要进行抽取或者内插处理。这次实验我们用的是Quartus II 给我们提供的IP 核来做就没有原来那么麻烦了，所有的工作都交给IP核来工作，我们只需要做的是生成符合要求的滤波器系数，然后仿真正确无误后交给FPGA处理。

 

     上面我们设计完了前两级的FIR半带滤波器和最后一级的FIR普通滤波器，由于我们要进行降频处理，也就是抽取处理，每一次抽取处理紧跟在一个抗混叠滤波器之后进行，见下图：

 

     

 

     根据上图可以看到，我们利用3个FIR滤波器进行级联，前两级滤波器为半带滤波器，最后一级为普通FIR半带滤波器，总共进行了8倍抽取。因此我们可以推想，经过这三级滤波器滤波后的信号，会滤除高频分量，留下我们需要的100hz的有用信号并且采样频率降低8倍，下面是仿真图：

 

    

 

     我们可以看到，经过三级滤波器滤波后，高频分量有了一定程度的衰减，我们需要的有用信号没有被干扰，虽然高频分量的衰减不是很足，当然也是跟我们这个实验设计的阶数有关系，为了简单起见，滤波器阶数较低，衰减不是很足，当然这里也满足设计要求，我们再来看一下时域波形，根据推想，时域波形应该是信号的频率不变，采样频率降为原来的八分之一才对，仿真见下图：

 

     

 

      由图可见，设计完全符合我们的要求，既然仿真成功了，那么我们就可以在硬件上实现了。

 

     IP核的调用过程很简单这里不再叙述，在调用的时候有两个IP可以调用，我用的是FIR compile ，另外一个是FIR compile II，但是用了一下不出波形，也就放弃了，这里用第一个来做。

    先来看一下设计界面：

   1、就是用来新建，编辑和删除滤波器系数用的，进入界面之后会自动新建一个页面，我们如果想编辑滤波器系数的话，可以通过点击edit coefficient set 选项进行滤波器系数设置，见下图：

 

        

 

 

     

 

 

      IP核配置好了之后我们依次对其进行例化就好了，例化的过程中要注意IP核引出的几个管脚的意思，注意几个主要的就好了，具体例化见下图：

     需要注意的是，我们需要做的是3级的FIR滤波器，每一级滤波器都有一个输入使能跟输出有效，只有当上一级输出有效的时候，下一级才能输入使能，因此我们将顶层3级滤波器例化好之后的RTL视图见下图：

我们调用modelsim进行仿真，仿真波形见下图