FIR数字高通滤波器的FPGA实现

1、 摘 要对于现代社会领域，数字信号处理（digital signal processing ，DSP）技术正在以很迅速的步伐往前发展，大家知道，数字信号处理中灵活性和实时性是最基本的要求，但在以往的模拟滤波器技术中，总是有着各种问题，让滤波效果达不到较为理想的要求。而数字滤波器随着数字信号解决水平的发展而渐渐的被进步采用，并且因为它在设计上的灵活性等优势在滤波上被许多地方当做首选方式，已经渐渐地替代了以往的过滤器。其中，有限长单位冲击响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，因为它进行设计幅频时，具有良好的线性相位，以及稳定的系统等特性在数字信处理的项目里扮演了举足

2、轻重角色。这次使用现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）和Matlab/DSP Builder来来设计一个FIR数字高通滤波器，使用窗函数法以及等波纹最佳优化法两种途径来对我们需要的滤波器进行设计。首先确定好滤波器的相关参数和制作方案，利用DSP Builder制作工具设计一个取样频率48KHZ，截止频率10.8KHZ，输入输出数据宽度都是8位的17阶有限长单位冲击响应滤波器。在MATLAB/Simulink中建立模型文件，调用工具库中的滤波器模块，连接成设计原理框图，设置好各参数并输入到对应的设计图位置后在Simulink中进行仿真，

3、然后将模型文件通过Signal Compiler转化为VHDL语言和其他文件，在Quartus II中进行编译，引脚锁定下载到FPGA中，利用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II对结果波形进行验证。关键词：数字信号处理；现场可编程门阵列；有限长单位冲击响应；DSP Builder AbstractIn the technical field of modern society, the digital signal processing technology has been developed rapidly. As we all know, the basic require

4、ments of the digital signal processing are flexibility and topicality . However, the former filter technology always had many problems which made the filtering effect hard to achieve the ideal aims. With the development of digital signal processing technology, the digital filter has made great progr

5、ess and been utilized. Whats more, it, as the preferred way has been used in many places because of its flexibility .So it has gradually displaced the previous filter. Among them, FIR digital filter plays a vital role because of its well linear phrase、stable systems and many other advantages in desi

6、gning the frequency amplitudes.In this paper, I have designed a FIR digital high- pass filter by using FPGA and MATLAB/DSP Builder. With the window function method and equality ripple approach method, I first have analyzed and determined the relative parameters of the filter and design proposals. Th

7、en I made the 17-order FIR digital high-pass filters sampling frequency in 48KHZ、cutoff frequency in 10.8KHZ and data width in 8-bit by using DSP Bulider. By establishing model files in Matlab/Simulink, I used the filter module in the library tool and linked them into the principle chart .Later I se

8、t up and input those parameters into site to analogue simulation. I translated the Signal Compiler into the VHDL and other files and compiled in Quartus II and downloaded to FPGA. At last, I used the Signal Tap II to validate the result.KEY WORD: DSP; FPGA;FIR; DSP Builder第一章 引言11.1背景意义11.2主要工作和组织结构

9、3第二章 FIR数字滤波器42.1FIR数字滤波器的概念42.1.1FIR数字滤波器的结构52.1.2线性相位FIR数字滤波器的结构62.1.3FIR滤波器的特点72.2 FIR数字高通滤波器的设计方法92.2.1 窗函数法102.2.2等波纹最佳逼近法11第三章FIR高通滤波器的FPGA实现133.1设计目标133.2 DSP Builder的设计流程133.3窗函数法153.4 FIR滤波器模型的建立173.4.1FIR高通滤波器原理图173.4.2 验证和测试方案193.5等波纹最佳逼近法203.6两种方法比较24结束语25参考文献26第一章 引言1.1背景意义对于当今信息领域

10、，数字信号处理技术（Digital signal processing technology）已经变的相当迅速与成熟。一般的信号解决问题无处不在，信息技术的基本概念与研究理念已经触及到几乎所有的现代科技范畴，比如电路与体系，电磁场和微波，电气工程，航天航空科技，生物医学，导航、制导与控制，动力工程，环境工程等 王清雅. 复合视频信号全数字处理系统D，华东师范大学，2011.。一般地我们所说的滤波器即一种具有频率选择作用的网络，它可以让某些信号成分变得很小，这样就可以实现它的功能，防止它无法顺利地达到要求，对其他信号成分则需要非常多的衰减来将它过滤掉。滤波器经常用来过滤选定频率的频点以及除了这个

11、频点外的频率信号，来达到干扰的消除效果，获取特定频率信号的功能。广义的讲，滤波就是把一个信号处理成为另一个信号的过程，因此，滤波器是一个系统装置。其中，滤波器大致由模拟以及数字的为主。假使对于输出，输入的信号全部是数字序列的话，即此滤波器的单位冲击响应（即单位采样响应）也必然为数字序列，因此，像此种的滤波器即为数字滤波器。把数字信号作为输入和输出，然后获取我们所需要的部分并且进行加强，达到防止被多余部分所干扰的目的的技术就是数字滤波技术。而它的上述功能则是通过部分运算功能实现对输入的数字信号的部分频率进行过滤实现的。当所有的技术领域的进步对信号解决的敏捷功能、实时功能需要更多的条件限制。以往的

12、模拟滤波器是没有办法将背景噪声和干扰信号完全消除的，因此存在着很多的误差和不稳定等问题。而数字滤波器因为它严格的线性相位和更高的精度、更好的稳定性、更高的可靠性、方便灵活等优点被广泛的应用在实际的信号处理项目当中。越来越受欢迎和使用，已经渐渐地在很多方面取代和替换各种以往经典滤波器 杜勇. 数字滤波器的MATLAB与FPGA实现：Altera/Verilog版M，北京：电子工业出版社，2015.。数字滤波器的研究和应用技术现在已经非常成熟，基本上已经达到了非常高的标准 徐光辉，程东旭，黄如等. 基于FFGA的嵌入式开发和应用M，北京：电子工业出版社，2006.，它在高保真信号处理，电力系统，航

13、空科技方面，数据测试等许多领域都不可或缺。而且它的应用价值非常巨大，除了应用在上述领域中，同时也在电视、手机、飞机、图像等其他商业领域的应用也很广泛。对于增益高的频率界限，如果它的信号可以通过，我们就称它为滤波器的通带，增益低的频率界限，滤波器对信号减弱与阻塞作用，我们称这为阻带。本次设计的是高通滤波器。事实上，设获取到输入信号为，它的窗函数是，通过窗口看到的信号是，则。MATLAB工具箱提供的窗函数有：矩形窗(Rectangular window)、三角窗(Triangular window)、布拉克曼窗(Blackman window)、汉宁窗(Hanning window)、海明窗(Ha

14、mming window)、凯塞窗(Kaiser window)、切比雪夫窗(Chebyshev window) 赵集，廖若晨，唐令利. 数字FIR滤波器的设计J，硅谷， 2012(15):46-46.。数字滤波器拥有的类型浩繁，从整个结构上有：传统和流行滤波器，一般数 字滤 波器件从它波形过滤的功能方面有：有通高频信号，通低频信号，带阻，带通等。从滤波器的特性方面可以有：可以分为无限长单脉冲击响应的IIR滤波器（infinite impulse response filter）和有限长单位冲击响应滤波器FIR滤波器（finite impulse response filter） 赵安新，陈明

15、，张钟等. 采用综合学习粒子群算法的有限冲激响应数字滤波器设计J. 西安交通大学学报, 2012, 46(8):71-75.。其中有限长单位冲击响应滤波器又由DSP芯片、可编程有限长单位冲击响应滤波器等。根据滤波器对信号处理作用不同大致有选频滤波器与其他滤 波器。FIR数字滤波器和IIR滤波器都是数字滤波器中最基本的组成单元 王赟松. FIR数字滤波器设计D，西安电子科技大学，2012.。而它们的区别是：滤波器在制作的时候能够达到非常严苛的线性相位，但滤波器就无法实现，所以如果想要滤波器的功能非常有效，效果很明显的话，它的相位结构的非线性就会变得非常的恶劣；FIR滤波器采取了关键的非递归结构，

16、杜绝了结构不平稳带来影响，如果对限定的精度采取公式来实现，但是得到的误差会逼近很小，可是IIR滤波器它的结构就规定了它是需要选择递归结构，而且必须是要在以坐标原点为圆心，半径为一的圆内才可以稳固，有时会伴随着振荡的形成；FIR滤波器可以通过快速傅立叶变换（Fast Fourier Transformation）和其他快速的公式来计算，速度快，而无限长单位冲击响应却不能使用这种公式进行计算；FIR滤波器的一般功能相当敏锐，能够用于几乎所有的幅相条件 伍永锋，王国金. 基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计及DSP实现D，宁夏大学，2010.，兼容性能非常的强大，而IIR滤波器通常是用来实现要求

17、是比较固定性能的滤波器，而不能实现所有的标准功能，不可以实现所有的设计。由于在数据通信、图像处理、语音信号处理以及自适应等领域经常需要信号在传输过程中不能出现明显的相位失真，但IIR在频率色散的问题上无法解决，而FIR滤波器可以很好地解决这些不稳定性的问题，因此FIR滤波器在实际生活中被大量的采用。随着现代科技技术不断适应时代的发展需求，对于FIR滤波器来说，针对它的设计实现是需要基于多种科技的研究项目。因为要满足市场对电子产品的需求，那些半导体产品正在逐步地向低功耗，低电压，高速度，网络化的方向发展。各个领域不再仅仅满足于单一的集成电路这么简单，而是对电路系统提出了技术更高，功能更复杂的规格

18、要求。FIR滤波器采用硬件实现途经有：集成电路、可编程逻辑器件FPGA和DSP芯片。其中基于FPGA实现方式有在DSP Builder里使用窗函数法加上等波纹优化准则这两个途经。其中：DSP Builder作为QuartusII的一个常用的制作实现工具，但同时基于它可以将系统模型仿真以及FPGA实现结合在一起。使算法开发到硬件的实现可以无缝地过渡，取长补短，提高它的运算速度，使用MATLAB/DSP Builder进行DSP系统的开发必须安装MATLAB软件和DSP Builder软件，其中DSP Builder集合了很多的设计工具，有许多的基础模块，包括Simulink、MATLAB等 赵富

19、宁，王艳红. Matlab/Simulink在电路分析中的应用J计算机时代, 2014(4):21-23.。DSP Builder可以根据它本身的特性，将绝大一部分的滤波器实现过程与仿真都自动的进行，这样的话就可以节省很多的制作时间，同时也免去了复杂的程序，之后通常把得到的文件配置到硬件设备当中，来实现它的硬件功能。除此之外，它也能够对设计的原理图进行系统级的结构框架建立，帮助用户完成有关FPGA的硬件实现。1.2主要工作和组织结构本文探讨基 于FP GA硬件地高通滤波器实现，开始将数字信号进行简要叙述，对数字滤波器的优点进行了阐述，同时对比了FIR滤波器和IIR滤波器的相关属性，分析了FIR

20、滤波器具有的优势，给出了它独有的线性相位组织的好处。之后对FIR滤波器的设计途经一一地列举出来，阐述它的设计原理并针对每种方法设计做出深层次的探讨，对它的设计流程以及设计步骤做了详细的介绍，并将重要的步骤截图标注在文章中，设计完成后，用逻辑验证仪SignalTap II和示波器对所做的高通滤波器采取功能的仿真验证。本文共四章，具体安排如下：第一章：将选题的一些探讨背景以及它的应用价值做了简单的叙述，学习和研究了滤波器的概念和种类，并比较FIR和IIR的不同之处，得出了FIR滤波器的优点和它的实现途经，着重描述了两类基于FPGA硬件实现技巧，一个为利用MATLAB/DSP Builder制作工具

21、中的窗函数法，另一个为通过使用等波纹最佳优化法来实现FIR滤波器的功能；第二章：叙述了数字滤波器的原理和结构组成，并且给出了线性相位FIR滤波器的性能与优势，之后学习了高通滤波器地构建原理，给出本文当中FIR高通滤波器的两个途经：窗函数法和等波纹最佳优化法的相关知识和原理；第三章：给出利用FPGA器件进行系统实现的基本流程，首先给出了DSP Builder的一般操作步骤，根据指定的目标，使用FDA Tool工具制作得出滤波器参数，并在MATLAB应用软件中调用实现过滤器的各个模块，将他们连接构成我们所需要的滤波器的原理框图，并将参数一一填入滤波器的框图中，对滤波器进行仿真，之后将模型文件转到Q

22、uartus II软件中，进行硬件实现，再利用逻辑验证仪SignalTap II与实验室里中示波器来将所制作好地滤波器来验证结果；第四章：对这次的设计进行探讨概括，归纳本文主要制作事项。第2章 FIR数字滤波器2.1FIR数字滤波器的概念数字滤波器处理的信号是属于数字信号，所以，数字滤波器的工作原理和它的相关理论知识是建立在数字信号理论的基础上面的，同时它也需要数字电路的支持，所以它也具有很强的抗干扰性、高精度、可靠性强、结构稳定、设计灵活等特点。FIR滤波器跟其他种类的不同，它特殊结构就决定了下面属性 刘朋全. 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计和实现D，西北工业大学，2006.：1 根据

23、FIR滤波器的对称性我们知道，它能够保持相频特性是线性的，所以可以避免相位失真，对于实际应用的价值很大；2 FIR滤波器具有稳定性的系 统，它的收 敛区间都是以原点为圆心，1为半径的圆，所以可以正常工作；3 FIR滤波器的单位脉 冲响 应长度为有限长的，因此对于实现算法和结构具有很大帮助的 XIAO Shunwen,CHEN Yajun,Peng Luo. The design of FIR filter base on improved DA algorithm and its FPGA implementationJ，Computer and Automation Engineering,

24、2010, 2(4):589-591.。对于数字滤 波器来说，设原始长度是，,则地系统函数如下： （2-1）所以，FIR滤波器它存在个极点在原点，存在个零点位于有限平面任意地方。FIR数字滤波器的特点可归纳如下：（1）单位脉冲响应在限定数量的m值的地方是非零。（2）系统函数在的地方收敛，针对因果特性的体系来说，它的极点位置都是在的地方；而在的有限Z平面只有零点。（3）针对在结构上采取非递归的构造措施，并不会有从的反馈信号。但是对于某些，通常也会将将递归部分采取反馈措施。2.1.1FIR数字滤波器的结构1数字滤波器的直接型结构：FIR滤波器的差分方程为： （2-2）显然，上式就是线性时不变系统的

25、卷积公式，也是延时那个部分信号链的横向结构组织 侯建军，郭勇. SOPC技术基础教程M，北京: 清华大学出版社和北京交通大学出版社，2015.。下图所示，称为直接型或者卷积型结构，也称为直接型结构，具有N-1个延时因子。图1 FIR滤波器的直接型结构2 数字滤波器的级联型结构： (2-3)式中，将其中表示取的整数部分。若N为偶数，则N1为奇数，系数中有一个应是零。这是由于此时有奇数（N-1）个零点，而且它的复 数零点或着共轭对的数量一定是偶数个，它的实根的个数一定是奇数的。图2 FIR滤波器的级联型结构2.1.2线性相位FIR数字滤波器的结构当为偶数时，系统函数满足 （2-4）当为奇数时，系统

26、函数满足 （2-5）式中，方括号内的“+”号表示是偶对称的，“”号表示是奇对称的。以上两式表明，当为偶数时，实现只须进行次相乘运算；当为奇数时，只需要进行次乘法运算；上述两式实现出来地结构是线性相位FIR filter的直接型网络结构，简单明了易于理解。图3 N为偶数时的结构图4 N为奇数时的结构2.1.3FIR滤波器的特点假使FIR数字滤波器单 位脉冲响应的长度是的话，那么Z变换： (2-6)其差分方程为 (2-7)其频率响应为 (2-8)当为实序列，可将表示为 (2-9)通常我们所说的线性特点，指的是这个滤波器的（）是的映射，符合下面两种情况： (2-10) (2-11)以上两种情况的群时

27、延都是常数，即对于上面的两个公式，通常称第一个是第一类线性相位，第二个是第二类线性相位。若满足以下任一条件偶对称 （2-12）奇对称 （2-13）然后滤波器的对称中心如果在的话，那么它就具有准确的线性相位 王志超. 基于FPGA的高速FIR滤波器设计与实现D，哈尔滨理工大学，2013.。第一类线性相位FIR数字过滤器相位函数，是由上面所列的数学表达式计算得到的。经过移项并化简后得到 （2-14）函数关于求和区间的中心(N-1)/2奇对称，是满足(2-14)的一组解。因为以为对称轴奇对称，如果取，那么要求以(N-1)/2为对称轴偶对称，所以和需满足以下条件： (2-15) 由以上公式可知，若要求

28、单位脉冲响应是、长度为N的FIR数字过滤器符合第一类线性相位特性，那么应当以为对称轴偶对称。当N确定时，FIR过滤器相位本质是一个确知的分子与分母成线性关系的函数，即。第二类相位函数为 （2-16）经过相同的推导步骤可得 (2-17)函数关于求和区间的中心奇对称，因为关于偶对称，所以要求和满足下面条件： (2-18)由以上公式计算化简到结论可知，假使限定单位脉冲响应为、长度为N的FIR数字过滤装置显示为第二类相位特性，那么关于奇对称。 2.2 FIR数字高通滤波器的设计方法数字滤波器实现途经，从制作方面来探讨，基本上是需要首先依据规定来得到滤波的目标，然后在进行进一步操作。然而就算达到了滤波器

29、的建立并不能代表我们的工作快要结束，其实最重要的核心是去设置好滤波器，让它的功能得以实现。这也意味着想要完成过滤运算，必须设置好条件，才能够得到令我们满意的滤波器框架。常用的FIR数字滤波器制作步骤为：频率采样法、窗函数法、等波纹优化法以及其他各种方法 朱霞，柴志雷，须文波. 基于CDS编码的FIR数字滤波器优化设计J，计算机工程与设计，2009，30（2）：271-275.。一般FIR滤波器的设计步骤如下：（1）确定指标做设计前，首先确定好滤波器的预期指标，对于高通滤波器，一般需要采样频率和截止频率以及滤波器的阶数和输出位宽，设计时它的相位响应和幅度响应通常也是需要符合设计的指标；（2）逼近

30、指标对于上一步得到的目标，我们首先建立一个滤波器的框架模型，再使用工具来逼近所需要的滤波器的参数；仿真和分析将所设计的滤波器进行软件的仿真，并下载到硬件当中实现，检测滤波的结果，观察比较得出是否符合技术指标，在误差范围内是否是理想的结果。2.2.1 窗函数法窗函数法是实现有限长单位脉冲响应滤波器的比较常用的措施之一。对于有限长单位脉冲响应滤波器的实现，一般我们根据期望靠拢的接近稳定无误差状态下的冲击函数为 来实现滤波器的设计，得到，使向靠拢。通常设计是在时域进行的，因而首先应由给定的的傅里叶逆变换导出相应的单位脉冲响序列，即 （2-14）如果能由已知的得到，再经过公式计算便可求出系统函数。这样

31、会引起误差，所以我们要让实现的有限长单位冲击响应滤波器的频响在相关的量程值内来向靠拢，这种用来实现数字滤波器的方法即为窗函数法。稳定无误差滤波器的是序列的傅里叶变化 （2-15）式中，为所选窗函数的长度。这是一个以为周期的函数。使用傅里叶级数法就涉及到时域和频域的问题。窗函数设计法就是在时域上运作的。所以考虑到各种因素的影响我们可以采用下面这种逐渐靠拢的设计方法来实现这个过程。流图如下： （2-16）理想过滤器它的脉冲响无疑很完美，因此可以对它的无限长的脉冲响应加上一个窗函数和它相乘，那么就可以达到从中截取一段脉冲响应的效果。使用圆滑处理得到频率响应，即，并且对频率响应进行平滑。因为截取所产生

32、的Gibbs效应可以用窗函数来削减，这也是加窗的一个目的。上句中的Gibbs会导致过渡带加宽以及通带以及阻带产生震荡，特别会促成阻带的衰减降低，进而不能符合生产设计目标。2.2.2等波纹最佳逼近法等波纹优化法，它可以对我们设计出来的滤波器进行性能的优化，来达到滤波效果更加明显，更加让人接受，通常制作一个滤波器时，不同的指标和不同的参数设置会引起通带阻带出现大小不一的误差，而且这是难以避免的弊端，等波纹优化法采用在不同频段使用的不一样的加权映射函数，使得它们的加权最大差值统一归化，变成相同值。进而实现了在契合指标的同时也具备了更好的效果，并且性价比也是相对较高，真是两全其美。虽然FIR数滤波器的

33、实现中有着像窗函数法以及频率采样法这些比较广泛性地应用，然而与等波纹优化法比较而言就难免是次等的选择了。等波纹优化法可以对阻带和通带加权最大误差值变成现实的，可以操控的。就是将 和的绝对值之差降到最小。加权靠拢误差是等波纹法惯用的一种手法，使用数学公式能表达成： (2-17)上述数学表达式中，是误差加权靠拢函数，在很注重质量的频段上它允取的加权值可以大一点，反之，则该取较小值。 根据采样响应N的偶、奇性质和的对称性质，能够大致把FIR数字滤波器分成4大类。 (2-18)上式中，k0 ,1 , H ()是一个方程式也可以统一来写的不含虚部的纯实数幅度函数。 (2-19)其中，为的固定函数，为M个

34、余弦函数的线性组合。使用等波纹优化法，可以对数字频段进行分类。其中通带和阻带是指的“逼近区间”这个部分，过渡带就是指的“无关区间”的部分。需要我们注意的是：因为设计过程中是无法实现近乎理想的滤波特性，因此不可避免地无法去除无关区间。根据等波纹优化法来实现FIR滤波器的基本方法为：(1)根据需要的逼近目标来估计滤波器实现的阶层数目和得到的误差的加权映射关系；(2)采用remez算法来得出滤波器单位脉冲响应。第三章FIR高通滤波器的FPGA实现3.1设计目标本次设计的目标是：设计一个采样频率为48KHZ，截止频率为10.8KHZ，输入/输出序列位宽是8位的17阶FIR数字高通滤波器，达到高通滤波的

35、效果。因为有限长单位脉冲响应滤波器是一个具有严格线性相位的稳定性系统 张兆东. 基于FPGA的32阶FIR滤波器的设计J，兰州石化职业技术学院学报. 2007，7(1):10-13.。它在许多方面被大量采用实现，所以基于FPGA的 FIR滤波器实现途径有许多个。本论文使用了窗口函数法以及等波纹优化法来实现它的正常功能。3.2 DSP Builder的设计流程首先，我们要注意两点，一个是我们无法通过双精度来实现FPGA，另一个是simulink中的所有数值数据都是通过双精度来体现的。这就说明我们无法直接用simulink中的数值通过FPGA实现，需要使用一些方法让双精度变为定点数，这样才能在FP

36、GA中实现。让simulink信号变成需要的硬件的总线形式在设计过程中必须要实现，因此，双精度值一定要变为定点值才可以。对于直接I结构的17阶高通过滤器，一般是把低级的滤波器节进行组合来得到。所以拟先得到1个4阶FIR过滤器节，再设计一个5阶过滤器节，然后通过将其组合来构成一个完整的17阶的高通过滤器。本次论文拟通过DSP Builder的窗函数设计工 具和等波纹优化法来实现有限长单位冲击响应高通过滤器，分析有限长单位冲击响应高通过滤器实现思想理论和窗函数的选择方法；（2）将采样频率、截止频率等其他指标使用FDATool来计算滤波器的相关参数；（3）在MATLAB/Simulink中建立好原理

37、框图并且进行仿真。观察结果无误后，使用Signal Compil对图形进行分析，并将模型文件转化为VHDL语言，来转到 Quartus II中进行进一步的实验；首先在Simulink中建立乘加子系统 Rabiner L R,Gold B,McGonegal C A.An approach to the approximation problem for nonrecusive digital filers. IEEE Trans. Audio Electoracoust，1970，18(2):83-106.。接着加入正弦信号产生模块，Add模块，Input与Output模块，Shift

38、0;Taps模块，Bus Conversion模块，clock模块，Scope模块。最后连线，完成模型设计；（4）用Quartus II软件对VHDL语言进行编译，没有错误的话再对它进行仿真。之后将引脚逐一编译，再下载到学校实验室中的FPGA实验箱中，之后在Quartus II中新建滤波验证器SignalTap II，把下载到FPGA中滤波器调入到Quartus II中，然后对滤波器进行验证，分析实验图形；（5）使用示波器进行硬件测试。DSP Builder的设计流程如下图：图5 DSP Builder设计流程3.3窗函数法FDA Tool对于数字滤波器的设计与研究扮演者至关重要的角

39、色，它的基本性能非常强大，它的主页面分为两个部分，上面部分显示的有关设计的滤波器的相关信息，下面部分是用来设计滤波器的相关参数指标。运用Design Filter中的FDA Tool工具，找到设置页面，将所需要的滤波器的相关参数，如高通，窗函数，17阶，采样频率和截止频率输入到FDA Tool的参数设置方框中：图6参数设置窗口点击Design Filter后，选择Magnitude Response得到下面的曲线，横轴是频率，单位是KHZ，纵轴是幅度单位，单位是dB：图7幅频相应特性选择Phase Response，即得到了相频响应分析曲线，如图3-4所示的就是滤波器的相频响应曲线，根据曲线所

40、示，得到的响应是线性的，即为我们所需要的线性相位滤波器。图8相频相应特性选择Filter Coefficients后得到如下的滤波器的系数：图9 滤波器的系数对其进行16位量化后，将其导出到workspace中：图10量化后的滤波器系数图11导出系数文件格式和数据类型可以得到设计的17阶滤波器的17个系数10,6，-10，-12,12,24，-12，-80,140，-80，-12,24,12，-12，-10,6,10，并等待逐一填入到建立的FIR滤波器模型中。3.4 FIR滤波器模型的建立3.4.1FIR高通滤波器原理图点开Matlab软件并切换包含DSP Builder库的文件路径

41、。先在MATLAB中新建一个model文件，利用Simulink Liarbry中的模块直接调用DSP Builder库里面的相关模块。然后连接每个模块，并且检查是否有出现逻辑以及其他形式的错误。点开Matlab软件并切换包含DSP Builder库的文件路径。在MATLAB/Simulink窗口中利用Simulink Liarbry调用所有需要的器件 WATERS Ron S., SWARTZLANDER, EARL E. A Reduced Complexity Wallace Multiplier ReductionJ， IEEE Transactions on Computers，20

42、10，59(8):207-211.，并将所有的必须的器件按照预先设定好的结构框架进行连接，构成滤波器的原始模型，并且检查是否有出现逻辑以及其他形式的错误。然后将所有的信号参数，以及相关系数输入其中，构成下图所示的这种设计框图：图12 17阶滤波器原理图之后在MATLAB中对连接完成好的原理构架进行模拟滤波，在scope中得到如下所示的图形：图13 scope仿真1通过上图可知，由高频和低频信号组成的混合信号通过滤波器后，输出的波形基本上已经滤掉低频信号，基本达到了滤掉低频的效果，符合本设计的要求。将滤波器的原理框架分析后，把滤波器原理文件MDL转化为可以在Quartus II中进行分析的文件：

43、图14模型文件转换为硬件语言3.4.2 验证和测试方案将模型文件通过Signal Compiler转化为VHDL语言和其他文件，在Quartus II中进行编译，引脚锁定下载到FPGA中，利用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II进行结果的测试与验证，并使用示波器来测试验证。之后使用Quartus II将生成的VHDL文件进行仿真，编译，下载到FPGA中，并建立SignalTap II将各种参数设置好，进行测试：图15引脚锁定图16 SignalTap测试结果从上图结果显示，总体而言，由高频和低频信号组成的混合信号通过滤波器后，输出的波形基本上已经滤掉低频信号，基本达到了滤掉低频的效果，符合本设计的要求。3.5等波纹最佳逼近法等波纹最佳优化法基本上与之前的窗函数法设计流程相同，只是比前面的方法多了一个通带衰减。可以通过资料上的公式计算得出，本次设计的通带衰减为12KHZ。把数据填入相应的位置中：图17 等波纹法参数设置与上面的设计步骤大致相同：图18 等波纹法的幅频曲线图19 等波纹法的相频曲线得到它的系数及量化