基于FPGA 的FIR 數(shù)字濾波器設計方案

　　模型搭建好之后，需要確定16階FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)，在這使用Matlab中的FDATool濾波器設計工具來確定。確定好濾波器的指標：

　　(1)設計一個16階的FIR濾波器;

　　(2)低通濾波器;

　　(3)采樣頻率fs為16 384 Hz，截頻點頻率fs為533 Hz;

　　(4)輸入序列位寬為16位。

　　在設計濾波器界面中，如圖4所示，進行下列選擇：

　　(1)濾波器類型(Filter Type)為低通(Lowpass);

　　(2)設計方法(Design Method)為FIR，采用窗口法(Window);

　　(3)濾波器階數(shù)(Filter Order)定制為15(設置為15階而不是16階，是由于設計的16階FIR濾波器的常系數(shù)項h(0)=0);

　　(4)濾波器窗口類型為Kaiser，Beta為0.5.

　　所有的選項確定好后，在FDATool濾波器設計界面中點擊“Design Filter”，Matlab就會計算濾波器系數(shù)并作相關(guān)分析。圖5所示為濾波器的幅頻響應，圖6所示為濾波器的階躍響應。

　　由于所有的模塊都在同一個Simulink圖中，這時的Simulink設計圖顯得很復雜，不利于閱讀和排錯，因此把FIR數(shù)字濾波器模型做成一個子系統(tǒng)在設計圖中顯示出來，如圖7所示，這就是Matlab中的層次化設計，在頂層設計圖中，濾波器作為名稱是SubFIR_533_16js的一個模塊出現(xiàn)。同時，圖7中還設置了其他模塊，包括仿真信號輸入模塊、Signal TapⅡ信號實時監(jiān)測模塊、Signal Compiler模塊、硬件開發(fā)板模塊、TestBench模塊。

　　這樣整個濾波器的Simulink電路設計模型就完成了，然后要對該模型進行系統(tǒng)級仿真，查看其仿真結(jié)果，在頻率為533 Hz的波形輸入上加入了頻率為3 600 Hz的擾動波形，其Simulink仿真結(jié)果如圖8所示。

　　圖中，上面的波形是533 Hz的輸出，中間的波形是533 Hz加上3 600 Hz高頻干擾后的輸出，下面的波形是經(jīng)過濾波后的輸出。

　　3.2從模型文件到Verilog代碼的RTL級轉(zhuǎn)換和編譯適配

　　利用Signal Compiler模塊將電路模型文件即Simu-link模塊文件(。mdl)轉(zhuǎn)換成RTL級的Verilog代碼表述和Tcl(工具命令語言)腳本。這種轉(zhuǎn)換是用來對數(shù)字濾波器Simulink模型進行結(jié)構(gòu)化分析的[5].獲得轉(zhuǎn)換好的VHDL描述后就可以調(diào)用Verilog綜合器，這里我們選用QuartusⅡ，用來生成底層網(wǎng)表文件，同時也就可以得到其網(wǎng)表文件對應的RTL電路圖。如圖9所示。

　　3.3數(shù)字濾波器的ModelSim功能仿真

　　ModelSim軟件可支持VHDL和Verilog混合仿真，無論是FPGA設計的RTL級和門級電路仿真，還是系統(tǒng)的功能仿真都可以用ModelSim來實現(xiàn)[4-5].由Signal Com-piler生成的Verilog硬件描述語言模塊，在ModelSim中可以直接對Verilog代碼進行仿真，檢測源代碼是否符合功能要求。圖10所示的16階FIR數(shù)字濾波器的功能仿真結(jié)果圖。與圖8的Simulink仿真結(jié)果圖的波形一致，表明經(jīng)過轉(zhuǎn)換的Verilog源代碼可以實現(xiàn)正常的濾波功能。

　　3.4 FIR數(shù)字濾波器的FPGA硬件實現(xiàn)

　　FIR數(shù)字濾波器一般是嵌入在采集器的采集板卡中進行工作的，把由數(shù)字濾波器的Verilog源代碼生成的模塊嵌入到采集板卡的FPGA邏輯中，如圖11所示。