基于MATLAB與QUARTUSII的FIR濾波器設(shè)計與驗證

1、    基于MATLAB與QUARTUSII的FIR濾波器設(shè)計與驗證1引言FIR數(shù)字濾波器能夠滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求，避免模擬濾波器的溫漂和噪聲等問題，具有精確的線性相位、易于硬件實現(xiàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)。實際信號處理應(yīng)用往往要求系統(tǒng)兼具實時性和靈活性，而現(xiàn)有設(shè)計方案(如DSP)則難以同時達到這兩方面要求。而使用具有并行處理特性的FPGA實現(xiàn)FIR濾波器，具有很強的實時性和靈活性，因此為數(shù)字信號處理提供一種很好的解決方案。在嵌入式導(dǎo)航計算機1 引言   FIR數(shù)字濾波器能夠滿足濾波器對

2、幅度和相位特性的嚴格要求，避免模擬濾波器的溫漂和噪聲等問題，具有精確的線性相位、易于硬件實現(xiàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)。實際信號處理應(yīng)用往往要求系統(tǒng)兼具實時性和靈活性，而現(xiàn)有設(shè)計方案(如DSP)則難以同時達到這兩方面要求。而使用具有并行處理特性的FPGA實現(xiàn)FIR濾波器，具有很強的實時性和靈活性，因此為數(shù)字信號處理提供一種很好的解決方案。    在嵌入式導(dǎo)航計算機工程項目中，石英撓性加速度計的輸出信號需進行數(shù)字濾波才能為導(dǎo)航計算機提供原始數(shù)據(jù)，為此需要設(shè)計一款FIR數(shù)字濾波器。這里使用MATLAB軟件和Altera公司的FPGA開發(fā)軟件Quar

3、tus進行FIR濾波器的設(shè)計仿真，該設(shè)計方案能夠直觀檢驗濾波器的設(shè)計效果，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。2 使用FIR IP Core設(shè)計濾波器    Altera公司提供的FIR Compiler是一個結(jié)合Altera FP-GA器件的FIR Filter Core，DSP Builder與FIR Compiler緊密結(jié)合。DSP Builder提供一個FIR Core的應(yīng)用環(huán)境和仿真驗證環(huán)境。而FIR濾波器設(shè)計實質(zhì)上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問題，設(shè)計方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等，這里采用窗函數(shù)法。21 濾波器指標設(shè)計&#

4、160;   FIR濾波器設(shè)計需達到以下指標：低通濾波，采樣頻率Fs為1 000 Hz，截止頻率Fc為100Hz，最小阻帶衰減As為50dB，16階濾波器，16位輸入數(shù)據(jù)寬度，14位系數(shù)數(shù)據(jù)寬度。22 利用FIR IP Core生成FIR模塊    在FIR編譯器中，將FIR濾波器設(shè)置為16階低通濾波器，單速率采樣。采樣頻率為1 000 Hz，截止頻率為100 Hz，窗類型選擇海明窗，然后生成系數(shù)并保存。濾波器系數(shù)的計算以所能達到最高精度為目的，計算出的濾波器系數(shù)未考慮有限字長效應(yīng)，必須量化濾波器系數(shù)。由于在FPGA內(nèi)要使用硬件實現(xiàn)濾波器，因此

5、采用定點計算。按照指標要求設(shè)置參數(shù)，生成的FIR模塊如圖1所示。3 驗證方法的確定    基于FPGA的復(fù)雜DSP系統(tǒng)的調(diào)試驗證是一項繁瑣工作，采用傳統(tǒng)的邏輯分析方法調(diào)試基于FPGA器件實現(xiàn)的設(shè)計幾乎不可能。驗證方法決定驗證結(jié)果的準確性和驗證工作量的大小。目前對基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器的驗證，通常采用輸入一個信號序列(白噪聲、多頻譜混合信號等)作為激勵，對濾波器的輸出結(jié)果進行分析對照，判斷濾波器是否符合設(shè)計要求。4 利用Simulink檢驗濾波效果    Simulink是MATLAB中一個專門用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。通過調(diào)用模塊，可以構(gòu)成仿真數(shù)字濾波器特性的結(jié)構(gòu)框圖。輸入低頻50 Hz和高頻400Hz的2個信號，利用所設(shè)計的濾波器進行濾波。建立仿真電路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入前面所設(shè)計的FIR濾波器，如圖2所示。    圖3為輸入波形在Simulink中Scopel的波形，圖4為輸出波形在Simulink中Scope的波形。比較圖3和圖4