基于SoPC的FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　數(shù)字濾波(idgital filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種計(jì)算方法。其功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器根據(jù)頻域特性可分為低通、高通、帶通和帶阻4個(gè)基本類(lèi)型;根據(jù)時(shí)域特性可分為無(wú)限脈沖響應(yīng)(infinite impulse response，IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)濾波器。FIR濾波器不存在穩(wěn)定性和是否可實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，容易做到線(xiàn)性相位，故在數(shù)據(jù)通信、圖像處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　目前，FIR濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)有以下幾種方式：一種是使用通用數(shù)字濾波器集成電路，這種電路使用簡(jiǎn)單，但是由于字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不易完全滿(mǎn)足實(shí)際需要;雖然可采用多片擴(kuò)展來(lái)滿(mǎn)足要求，但會(huì)增加體積和功耗，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。另一種是使用DSP芯片，DSP芯片有專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)可調(diào)用，實(shí)現(xiàn)FIR濾波器相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于程序順序執(zhí)行，速度受到限制。而且，就是同一公司不同系統(tǒng)的DSP芯片，其編程指令也會(huì)有所不同，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。還有一種是使用可編程邏輯器件，如FPGA(field programmable gate array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯塊整列和豐富的連線(xiàn)資源，特別適合用于細(xì)粒度和高并行度結(jié)構(gòu)的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于串行運(yùn)算主導(dǎo)的通用DSP芯片來(lái)說(shuō)，并行性和可擴(kuò)展性都更好。

　　本文介紹一種基于SoPC的FIR濾波器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)流程如圖l所示。該設(shè)計(jì)方法程序簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，得到的FIR濾波器精確度高。

　　1 FIR濾波器原理

　　FIR數(shù)字濾波器是一種非遞歸系統(tǒng)，其沖激響應(yīng)總是有限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可以記為：

　　y(n)=x(n)*h(n)

　　圖2顯示了一個(gè)典型的直接T型3階FIR濾波器，其輸出序列y(n)滿(mǎn)足下列等式：

　　在該FIR濾波器中，總共存在3個(gè)延時(shí)結(jié)，4個(gè)乘法單元，1個(gè)4輸入的加法器。如果采用普通的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)，只能用串行的方式順序地執(zhí)行延時(shí)、乘加操作，不可能在1個(gè)DSP處理器指令周期內(nèi)完成，必須用多個(gè)指令周期來(lái)完成。但如果采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，就可以采用并行結(jié)構(gòu)，在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)得到1個(gè)FIR濾波器的輸出。不難發(fā)現(xiàn)，圖2的電路結(jié)構(gòu)是一種流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在硬件系統(tǒng)中有利于并行高速運(yùn)行。

　　2 FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)

　　Altera提供的FIR Complier是結(jié)合Altera FPGA器件的FIR Filter Core，DSP Builder與FIR Compiler可以緊密結(jié)合起來(lái)。DSP Builder提供了FIR Core的應(yīng)用環(huán)境和仿真驗(yàn)證環(huán)境。

　　2.1 建立模型文件

　　為了調(diào)用FIR IP Core，在Simulink環(huán)境中新建模型文件，放置Sigtlal Compiler模塊和FIR模塊。啟動(dòng)Simulink的方法：打開(kāi)Matlab，在主命令窗口直接鍵入Simulink，按回車(chē)即可。然后打開(kāi)Altera DSP Builder模塊，在MegaCore FuncTIons調(diào)出fir_compiler_v7_0。

　　2.2 配置FIR濾波器核

　　雙擊模型中的FIR模塊，在彈出來(lái)的選擇窗口中有：關(guān)于這個(gè)核(about this core)、程序說(shuō)明書(shū)(documentation)、顯示元件(display symb01)、步驟1確定參數(shù)(Stepl：Parameterize)和步驟2生成(Step2：Generate)等4個(gè)不同的選項(xiàng)。點(diǎn)擊stepl，便打開(kāi)了FIR濾波器核的參數(shù)設(shè)置窗口，如圖3所示。

　　由圖3可見(jiàn)，濾波器的系數(shù)精度為32位，器件為CycloneⅢ，結(jié)構(gòu)為并行濾波器，結(jié)構(gòu)選擇了1級(jí)流水線(xiàn)，濾波器由LC邏輯宏單元構(gòu)成，系數(shù)數(shù)據(jù)存于FPGA的M9K模塊中，1個(gè)輸入通道，32位有符號(hào)并行輸入，全精度數(shù)據(jù)輸出。設(shè)定后會(huì)直接顯示濾波器的頻率響應(yīng)(frequency res-ponse)或時(shí)域響應(yīng)及系數(shù)值(timeresponse & coefficeient values)。由其頻率響應(yīng)圖可以看出，此FIR濾波器為低通濾波器。如果不符合設(shè)計(jì)要求，則可以通過(guò)對(duì)Edit Coefficient Set選項(xiàng)，對(duì)濾波器進(jìn)行重新配置。