基于FPGA的抗混疊FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[1]

1、第38卷第2期2010年4月浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)J OU RNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY收稿日期:2009206219作者簡(jiǎn)介:金燕(1964,女,浙江紹興人,副教授,主要從事嵌入式系統(tǒng)、智能檢測(cè)控制以及圖像處理與識(shí)別的研究,E 2mail :jy .基于FP GA 的抗混疊FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)金燕,王明,葛遠(yuǎn)香(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,浙江杭州310032摘要:提出了基于FP GA 的抗混疊FIR 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).利用Matlab 和FDA Tool設(shè)計(jì)并確定FIR 濾波器的系數(shù),通過Altera DSP

2、 Builder 和Matlab/Simulink 完成濾波器模塊的設(shè)計(jì)和仿真,DSP Builder 可將設(shè)計(jì)好的濾波器模塊直接轉(zhuǎn)換成在FP GA 上實(shí)現(xiàn)濾波器所需的V HDL 語言,并在Quart us II 平臺(tái)上進(jìn)一步完成該濾波器的仿真和FP GA 實(shí)現(xiàn).最后對(duì)疊加有混疊頻率成分的的電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波仿真,結(jié)果表明,濾波器符合設(shè)計(jì)要求.這種利用DSP Builder 將Matlab 和Quart us II 設(shè)計(jì)工具結(jié)合起來進(jìn)行FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的方法簡(jiǎn)單有效,所生成的濾波器模塊可移植性好.關(guān)鍵詞:FP GA ;FIR 數(shù)字濾波器;DSP Builder ;MA TLAB ;抗混

3、疊中圖分類號(hào):TM713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100624303(2010022*Design and realization of anti 2aliasing FIR Digital Filter B ased on FPGAJ IN Yan ,WAN G Ming ,GE Yuan 2xiang(College of Information Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310032,China Abstract :An anti 2aliasing low 2pass FIR Digital Fil

4、ter based on FPG A is designed and implemented.The parameters of FIR Filter is designed t hrough MA TL AB and FDA Tool.The filter model is designed and simulated by using Altera DSP Builder and Matlab/Simulink.The DSP Builder can convert t he designed filter model into V HDL language directly which

5、is needed to realize t he filter on FP GA and t he filter is simulated and implemented under FP GA on t he Quart us II platform.Finally ,in simulation experiment s ,t he signal of power line voltage wit h t he aliasing f requency component s superimpo sed is as t he inp ut of t he designed filter an

6、d t he result s of simulation show t hat t he filter satisfies t he design requirement.U sing DSP Builder ,t he met hod to design t he FIR Filter by combining Matlab/Simulink and Quart us II design tools toget her well is simple and effective.This kind of filter model has good portability.K ey w ord

7、s :FP GA ;FIR Digital Filter ;DSP Builder ;MA TL AB ;anti 2aliasing隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電網(wǎng)中的各種干擾成分不斷增加.非線性的負(fù)荷在系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的諧波,對(duì)電力系統(tǒng)和電力設(shè)備產(chǎn)生了極大的危害,惡化了電能質(zhì)量,導(dǎo)致電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益受損1.對(duì)電網(wǎng)電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及對(duì)電網(wǎng)電壓或電流的諧波進(jìn)行分析,具有重要的現(xiàn)實(shí)意低通抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)要求大幅降低.FIR 數(shù)字濾波器以其良好的線性特性、系統(tǒng)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用,也十分適合用于信號(hào)采集中的抗混疊濾波.目前,基于FP GA 的FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方

8、法主要有如下幾種:(1用Matlab 設(shè)計(jì)濾波器系數(shù),再用HDL 語言編程實(shí)現(xiàn)濾波器的各個(gè)模塊,并在Quart us II 或MAX L +plus II 等FPG A 設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行綜合325.這類方法需進(jìn)行HDL 編程.設(shè)計(jì)周期相對(duì)下面第二種方法較長.(2利用FP GA 廠方或第三方推出的預(yù)先設(shè)計(jì)好的通用FIR 模塊(也把這樣的通用模塊稱之為IP 核,如Altera 公司的FIR Compiler 設(shè)計(jì)濾波器,然后用Altera DSP Builder 直接將其轉(zhuǎn)換成V HDL ,最后用Quart us II 進(jìn)行綜合6.這種方法方便靈活,但需要用到IP 核,設(shè)計(jì)成本較高.而基于FP GA

9、 技術(shù)的抗混疊FIR 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的新方法,既可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程,又降低設(shè)計(jì)成本.即利用Matlab/FDA Tool 設(shè)計(jì)并確定FIR 濾波器的系數(shù),運(yùn)用DSP Builder 和Mat 2lab/Simulink 建立濾波器模型,利用Matlab 和Modelsim 進(jìn)行仿真,并在Quart us II 平臺(tái)上進(jìn)一步完成該濾波器的仿真和FP GA 實(shí)現(xiàn),生成FIR 數(shù)字濾波器模塊.我們用這種方法設(shè)計(jì)了64階濾波器,并對(duì)疊加有混疊頻率成分的電網(wǎng)電壓采樣信號(hào)進(jìn)行濾波仿真,結(jié)果表明濾波器符合設(shè)計(jì)要求.這種利用DSP Builder 將Matlab 和Quart us II 設(shè)計(jì)工具結(jié)

10、合來進(jìn)行FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的方法簡(jiǎn)單有效.所生成的濾波器模塊可移植性好,根據(jù)需要還可以推廣到更高階.1FIR 濾波器原理及指標(biāo)1.1FIR 濾波器原理FIR 濾波器的傳遞函數(shù)為H (z =N -1k =0h (k z-k(1可得FIR 濾波器的差分方程7為y (n =h (0x (n +h (1x (n -1+h (N -1x (n -N -1=N -1k =0h (k x (n -k =x (n h (n (2其中:k 為FIR 的濾波器的抽頭數(shù);h (k 為第k 級(jí)抽頭系數(shù)(單位脈沖響應(yīng);x (n -k 為延時(shí)k 個(gè)抽頭的輸入信號(hào).1.2FIR 濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)在實(shí)際電力系統(tǒng)中,電網(wǎng)電壓

11、信號(hào)諧波測(cè)量范圍一般為119次.設(shè)所測(cè)量的最高次諧波為19次,即頻率為950Hz ,采用過采樣,采樣頻率為6400Hz.根據(jù)“電能質(zhì)量,公用電網(wǎng)諧波”國家標(biāo)準(zhǔn)(G B/T 14549,當(dāng)諧波電壓幅值小于基波幅值的3%時(shí),測(cè)量誤差要求小于基波幅度的0.15%,這就要求抗混疊濾波器的通帶波動(dòng)小于0.15%,阻帶衰耗要大于|20lg (0.15%|(考慮到加一定裕量,取60dB .在A/D 采樣之前先用模擬濾波器濾除64次(3200Hz 以上的諧波成分,以確保A/D 采樣后信號(hào)不產(chǎn)生混疊,并保證19次諧波以下濾波器的平直特性.之后通過數(shù)字重抽取將采樣頻率降為6400Hz 的一半,即3200Hz ,以

12、減少之后諧波分析的運(yùn)算量,為了消除重抽取過程中的信號(hào)混疊,需要在重抽取運(yùn)算前進(jìn)行數(shù)字抗混疊濾波,即需要濾除32次(1600Hz 64次(3200Hz 諧波,這可用FIR 數(shù)字低通濾波器濾除,同樣要求保證19次諧波以下濾波器的平直特性.這樣選定第2032次諧波點(diǎn)(10001600Hz 為過渡帶,1600Hz 以上為阻帶.由此可得FIR 濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo):通帶截止頻率:fP=1000Hz ;阻帶截止頻率:f S =1600Hz ;采樣頻率:F S =6400Hz ;阻帶最小衰減S 60dB.使用DSP Builder 可以方便地在圖形化環(huán)境中設(shè)計(jì)FIR 數(shù)字濾波器,且濾波器系數(shù)的計(jì)算可以借助Mat

13、lab 強(qiáng)大的計(jì)算能力和濾波器設(shè)計(jì)工具來完成8.根據(jù)表1的阻帶衰耗指標(biāo),選布萊克曼窗,過渡帶寬B =W S -W P =2=0.1875,濾波器階數(shù)N =12/B =64;輸入序列位寬為9位.表1窗函數(shù)的基本參數(shù)T able 1B asal parameter of window ed function窗函數(shù)第一旁瓣相對(duì)于主瓣衰減/dB過渡帶寬加窗后阻帶最小衰減/dB矩形窗-134/N 21三角窗-258/N 25漢寧窗-318/N 44海明窗-5710/N 80391第2期金燕,等:基于FP GA 的抗混疊FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2系數(shù)的計(jì)算與量化采用Matlab 的FDAtool (

14、Filter Design &A 2nalysis Tool 確定FIR 低通濾波器的系數(shù),采用布萊克曼窗函數(shù)方法設(shè)計(jì).FDA Tool 是MA TL AB 的信號(hào)處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具9.FDAtool 計(jì)算出的值是一個(gè)有符號(hào)的小數(shù),而DSP Builder 下建立的FIR 濾波器模型需要一個(gè)整數(shù)作為濾波器系數(shù),所以必須進(jìn)行量化,濾波器量化前后的系數(shù)如表2所示,量化前的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖1所示.表2濾波器量化前后的系數(shù)T able 2Filter coeff icients before and after qu antif ication輸入 端量化前系數(shù)量化后系

15、數(shù)輸入端量化前系數(shù)量化后系數(shù)輸入端量化前系數(shù)量化后系數(shù)輸入端量化前系數(shù)量化后系數(shù)-1h32153h482h64圖1量化前的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)Fig.1Magnitude &phase response before quantization3FIR 濾波器的模型設(shè)計(jì)及生成DSP Builder 是Altera 推出的一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理(DSP 開發(fā)工具,通過DSP Builder ,把Matlab/Simulink 設(shè)計(jì)工具和Quart us II 設(shè)計(jì)工具有效結(jié)合起來.濾波器的硬件模塊是基于DSP Builder 設(shè)計(jì)的.在Matlab/Simulink 中完成設(shè)計(jì)輸入,建立一個(gè)mdl

16、 模型文件,用圖形方式調(diào)用Altera/DSP Builder和Simulink 庫中的其他模塊(Block ,構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)或算法級(jí)設(shè)計(jì)框圖.64階FIR 數(shù)字濾波器可由8個(gè)8階FIR 數(shù)字濾波器構(gòu)成,根據(jù)直接I 型FIR 濾波器的基本工作原理.首先在DSP Builder 中設(shè)計(jì)一個(gè)直接I 型的8階FIR 濾波器作為一個(gè)子系統(tǒng),然后在64階濾波器設(shè)計(jì)中直接調(diào)用,組成一個(gè)直接I型64階抗混疊FIR 濾波器系統(tǒng).并把前面算好的系數(shù)添加到濾波器中,如圖2所示.在Matlab 的Simulink 環(huán)境下,直接I 型64階抗混疊FIR 濾波器濾波前后的仿真波形如圖3所示.圖3(a 是輸入到FIR 濾波器

17、的基波(50Hz ,220V 疊加33次(1650Hz ,11V 、39次(1950Hz ,8V 諧波的正弦混合波,圖3(b 是FIR 輸出的波形,可以看到33次和39次諧波分量被濾除掉了.使用Modelsim 對(duì)FIR 濾波器進(jìn)行R TL 級(jí)仿真的結(jié)果與此一致.另外也對(duì)其他高次諧波的正弦混合波進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,都達(dá)到了好的濾波效果.在Matlab 中仿真驗(yàn)證達(dá)到要求后,就需要把設(shè)491浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷計(jì)轉(zhuǎn)換到硬件上加以實(shí)現(xiàn),通過DSP Builder 可以獲得針對(duì)特定FP GA 芯片的HDL 代碼.點(diǎn)擊圖2中的“SignalCompiler ”模塊圖標(biāo),“SignalCompiler

18、”會(huì)對(duì)模型先進(jìn)行分析,檢查有無錯(cuò)誤,無錯(cuò)誤會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下面的設(shè)置,設(shè)置好“Device ”和“Synt hesis ”后通過點(diǎn)擊“SignalCompiler ”窗口右邊的4個(gè)按鈕,逐步完成模型文件的轉(zhuǎn)換、綜合、適配和編程器件的操作10 .591第2期金燕,等:基于FP GA 的抗混疊FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在Quart us II軟件中對(duì)V HDL程序文件進(jìn)行編譯與仿真,最后生成FIR濾波器模塊,如圖4所示,它具有較好的可重用性,可移植性.圖4生成的FIR濾波器模塊Fig.4The created FIR Filter model4結(jié)論利用DSP Builder技術(shù),將Matlab/Si

19、mulink設(shè)計(jì)工具和Quart us II設(shè)計(jì)工具有效地結(jié)合,對(duì)抗混疊FIR濾波器模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),給出了基于FP GA和Matlab的FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)流程,借助于Matlab/Simulink和Modelsim進(jìn)行仿真分析,將DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為HDL文件,進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種FIR抗混疊數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單有效,具有設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)、可移植性好、運(yùn)算速度快、占用FP GA邏輯資源少等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于階數(shù)比較高的濾波器設(shè)計(jì).參考文獻(xiàn):1郭宏波,譚俊源.諧波對(duì)變壓器的影響及其抑制措施分析J.電力建設(shè),2008,29(11:35237.術(shù)J.1999(4:3723

20、9.3孫耀奇,高火濤,熊超,等.基于Matlab和FP GA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J.現(xiàn)代電術(shù)子技,2008,274(11:89292 4張海軍.基于FP GA的16階FIR濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.安徽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(1:62265.5周亞鳳,李躍華,朱昊.基于FP GA的16階FIR濾波器的設(shè)計(jì)J.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1:46250.6楊麗杰,崔葛瑾.基于FP GA的FIR濾波器設(shè)計(jì)方法的研究J.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,32(6:93296.7胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理M.2版.北京:清華大學(xué)出版社,2003.8Altera Corporatio

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