原创 【博客大赛】DSP in FPGA:FIR滤波器(一)

2012-8-22 09:17 5071 5 16 分类: FPGA/CPLD 文集: DSP in FPGA

         FIR滤波器广泛应用于数字信号处理中,主要功能就是将不感兴趣的信号滤除,留下有用信号。FIR滤波器是全零点结构,系统永远稳定;并且具有线性相位的特征,在有效频率范围内所有信号相位上不失真。在无线通信收发机中的DDC/DUC模块,抽取和内插都需要加入滤波器以防止信号在频谱上混叠,最典型的是采用FIR滤波器实现半带滤波器。

         FIR滤波处理如下式所示,其中x(n)为输入信号,h(n)为FIR滤波系数,y(n)为经过滤波后的信号;N表示FIR滤波器的抽头数,滤波器阶数为N-1。

  1.gif

         由上式可得到FIR滤波器在FPGA中的实现结构,如图1所示,主要由延迟单元Z-1、乘法器和累加器组成。此结构为直接型FIR滤波器结构,也称横向结构(transverse)。

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图1

         设计FIR滤波器的方法有多种,其中Matlab软件提供了很多关于滤波器设计的工具箱,FDATool就是一个很好的工具,如图2所示就是FDATool的界面,可以在Matlab的Command窗口中直接输入FDATool命令来调用。

snap2.jpg

图2

滤波器的设计首先需要设置的参数:

         (1) Response Type:选择FIR滤波器的类型:低通、高通、带通和带阻等。如图3所示为Lowpass中的下拉选项,在DDC/DUC模块设计中,抽取和内插需要使用Halfband Lowpass类型,而channel filter需要使用Raised-cosine类型。

snap3.jpg

图3

         (2) Design Method:FIR滤波器设计方法有多种,如图4所示,最常用的是窗函数设计法(Window)、等波纹设计法(Equiripple)和最小二乘法(Least-Squares)等。其中窗函数设计法在学校课堂中是重点讲解的,提到FIR滤波器肯定会想到hamming、kaiser窗,但是实际应用中却很少使用,因为如果采用窗函数设计法,达到所期望的频率响应,与其它方法相比往往阶数会更多;而且窗函数设计法一般只参照通频带wp、抑制频带ws和理想增益来设计滤波器,但是实际应用中通频带和抑制带的波纹也是需要考虑的,那在这种情况下,采用等波纹设计法就非常适用了。

snap4.jpg

图4

         (3) Filter Order:设置滤波器的阶数,这个选项直接影响滤波器的性能,阶数越高,性能越好,但是相应在FPGA实现耗用的资源需要增多。在这个设置中提供2个选项:Specify order和Minimum order,Specify order是工程师自己确定滤波器的阶数,Minimum order是让工具自动确定达到期望的频率相应所需要的最小阶数,因此具体选择哪个选项得视实际情况而定了。

snap5.jpg

图5

         (4) Frequency Specification:设置频率响应的参数,包括采样频率Fs、通带频率Fpass和阻带频率Fstop

snap6.jpg

图6

         参数设置完成后,FDATool就会分析并且生成滤波系数,如图7所示,可以得到滤波器的频率相应曲线,并且可以通过File->Export导出滤波系数,如图8所示。

snap7.jpg

图7

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图8

         为了快速验证FIR滤波器的FPGA实现,使用Xilinx的System Generator工具,如图9所示为FIR滤波器的验证模型,其中通过Gateway In和Gateway out模块分隔matlab simulink模块和Xilinx FPGA模块,matlab simulink模块用于产生测试源,接收并显示滤波后波形。还有System Generator Token用于生成Xilinx FPGA模块的HDL代码。

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图9

         其中FIR Compiler 5.0模块的参数设置如图10所示,滤波系数直接调用FDATool生成的滤波系数equ_coe,输出为全精度数据。

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图10

         得到输出结果如图11所示,上边图为输入原波形,由两个频率分量的正弦波叠加而成,频率分别为2MHz和100MHz,经过FIR滤波之后,100MHz频率分量被滤除。

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图11

文章评论11条评论)

登录后参与讨论

reurn_111582998 2016-4-29 17:07

原来仿真时间要要设置成小数

billzhu_345737527 2016-2-24 21:15

评论是对思考最好的总结…

billzhu_345737527 2016-2-24 21:14

为什么我画的scope怎么只能接一个端口

Hoki 2015-6-3 17:56

半带滤波器有抽取的过程,基于其特性,相比于一般的低通滤波器,相同性能指标设计出来的滤波器阶数较少,有利于资源优化

christine1225 2015-6-2 09:30

hi, DDC应用中 设计FIR的响应类型不采用半带滤波器而是采用低通,然后对数据取一个扔一个的方法 会有不妥吗?与采用半带滤波器有什么区别? 谢谢!

billzhu_345737527 2014-3-24 23:38

滤波器的一般设计思路流程。

1796500654_567574713 2012-11-15 16:06

770896174_645173524 2012-10-29 22:05

我qq 770896174 希望你加我,我有事情想请教你,拜谢!!

huangzhe198913_675724067 2012-10-27 23:01

请问这是怎么回事?

Hoki 2012-5-16 19:05

多谢支持!
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