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1、Mat lab论文FIR滤波器论文：基于FPGA的FIR数字滤波器设计摘要数字信号处理技术是现今信号处理技术中运用 最为广泛的，其中很重要的一方面是数字滤波器。本文介绍 Tfir滤波器的原理，并以一个16阶的fir低通滤波器为 例，介绍了利用mat lab和altera公司的fpga开发软件 quartus ii及dspbuilder设计数字滤波器的方法和过程。 首先,利用mat lab下滤波器设计工具fdatool设计fir滤 波器的原型，确定该滤波器的系数；其次，利用simulink 和dspbuilder软件平台构建滤波器模型，先设计出一个系 数可变的4阶直接i型fir滤波器节；然后调用
2、该4阶滤波 器节，将其级联成16阶滤波器，然后，将其转化为vhdl文 件，并在quartus ii下完成rtl级的功能仿真和逻辑综合; 最后将设计的滤波器应用于一个混合正弦波信号，以验证滤 波器的性能。关键词matlab simulink fir 滤波器 fpga quartus ii 引言数字信号处理(digital signal processing)是从 20 世纪60年代以来，随着信息学科和计算机学科的高速发展 起来的一门新兴学科。数字信号处理是研究用数字方法对信 号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法 的一门技术学科，随着数字电路与系统技术以及计算机技术 的发展，数字信
3、号处理技术也相应地得到发展，其应用领域 十分广泛。其中很重要的一方面就是数字滤波，fir（finite impulse responsel滤波器是数字信号处理系统中最基本的 元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相 频特性，加之其单位抽样响应长度有限，达到稳定的系统。本文通过一个16阶fir低通滤波器的设计和仿真实例, 介绍了基于mat lab/dsp bu订der/quartus ii工具软件联合 设计的流程和一般方法如图lo图 1 基于 matlab、dsp builder 和 quartus ii 等工具完成设计的流程设计流程有自动流程和手动流程两种，本文采用手动设 计流程的
4、方法。关于工具软件，matlab是由美国mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计 的高科技计算环境。dsp builder是一个系统级（或算法级） 设计工具，它架构在多个软件工具之上，并把系统级（算法 仿真建模）和rtl级（硬件实现）两个设计领域的设计工具 连接起来，都放在了 matlab/simlink图形设计平台上，而 将quartus ii作为底层设计工具置于后台，最大程度地发 挥了对种工具的优势。quartus ii是altera推出的eda设 计工具。1. fir滤波器的基本结构和设计方法1. 1 fii滤波器的基本原理空皿国從文辅导网 驾兰刪删晰伽伽
5、有限冲击响应)滤波fir (finite impulse response：器在数字通信系统中，被大量用于以实现各种功能，如低通 滤波、同代选择、抗混叠、抽取和内插等。图23阶fir滤波器结构对于一个fir滤波器系统，它的冲激响应总是有限长的,其系统函数可以记为：(1-1)最基本的fir滤波器可用下式表示:(1-2)其中是输入采样序列，是滤波器系数，1是滤波器的阶 数，表示滤波器的输出序列。也可以用卷积来表示输出序列 与、的关系。(1-3)图2中显示了一个典型的直接i型3阶fir滤波器，其 输出序列满足下列等式：(1-4)在这个f让滤波器中，总共存在3个延时结，4个乘法 单元，一个4输入的加法
6、器。1. 2使用fdatool工具设计滤波器设计滤波器时，通常借助mat lab来进行辅助设计， fdatool是mat lab工具箱里专用的滤波器设计和分析工具， 采用交互式的设计环境，可以很方便的设计出几乎所有常规滤波器。利用fdatool I具设计一滤波器，参数如下:O低通滤波器。O采样频率fs为48khz,通带截止频率fc为10. 8khzoO输入输出位宽均为9位(最高位为符号位)。(1) 打 FF mat lab 的 f datool 工具点击mat lab主窗口下方的start开始按钮，选择toolbox” filter designv f filter design & anal
7、ysis tool” (fdatool), 打开 fdatool。(2) 选择 design filter选择其中的按钮进入设计滤波器界面，再选择：滤波器类型(filter type)为低通(lowpass)；设计 方法(design method)为 fir,采用窗口法(window)；滤 波器阶数(filter order)定制为15；窗口类型为kaiser, beta 为 0. 5； fs 为 48khz, fclO. 8khzo计算出滤波器系数(3) 系数量化计算出来的fir滤波器系数是有符号的小数，在dsp builder下建立的fir滤波器模型需要一个整数(有符号整 数类型)作为滤
8、波器系数。所以必须进行量化，并对得到的 系数进行归一化。1. 3阶fir滤波器节设计以下将设计一个系数可变的4阶f让滤波器。对于直接m国從袁辅导囲wwwlunweiiliilao.coiiii型的fir滤波器（结构见图3）是可以级联的。也就是说, 在滤波器系数可变的情况下，可以预先设计好一个fir滤波 器节，在实际应用中通过不断调用fir滤波器节，级联起来, 用来完成多阶fir滤波器的设计。图3直接i型fir滤波器结构图4是一个直接i型的4阶fir滤波器节的结构。为了 使该滤波器节的调用更为方便，xin输入后插入了一个延时 单元，3阶滤波器演变成4阶的，在由不过常数系数项z （系数项）恒为0由
9、于在通信应用中，fir滤波器处理的往往是 信号流，增加一个延时单元不会影响fir滤波器处理的结果, 只是系统延时增加了一个时钟周期。对于该fir滤波器节， 其系统函数可以用下式来表示：(3-2)由于浮点小数在fpga中实现比较困难，实现的资源带 价太大。dsp builder中不妨在使用整数运算来实现，最后 用位数舍取的方式得到结果。图4直接i型4阶fir滤波器结构图2. 使用dsp builder设计fir滤波器使用dsp builder可以很方便的在图形化的环境中进行 fir滤波器的设计。图5是一个4阶fir滤波器节的设计模 型。图5直接i型4阶fir滤波器模型图em国從袁辅导网利用以上设
10、计好的4阶fir滤波器节可以方便的搭成阶直接i型f让滤波器，如要实现一个16阶的低通滤波器, 可以调用4个4阶fir滤波器节来实现。如图6所示是一个 16阶fir滤波器模型。图6 16阶直接i型fir滤波器模型3. simulink模型仿真在mat lab的simulink中进行仿真验证。用dsp builder设计好的模型，可以直接在simulink进行功能级的仿真验 证。图7是fir滤波器仿真模型firl6tap. mdl,由一个lOkhz 和一个160khz的正弦波作为输入，通过加法模块合成一激 励源，作为16阶fir低通滤波器的输入。图8是仿真波形，由图可见,滤波器很好的滤除了 160
11、khz的高频率信号，还原成lOkhz的低频率信号，与输入的lOkhz低频率信号相仿。由仿真结果可知，16阶fir低通滤波器的设计达到了设计要求。图7设计好的16阶低通滤波器4. quartus ii编译及仿真将16阶fir滤波器模型文件（*.mdl）转换为vhdl文 件，再在quartus ii下进行编译、仿真及下载到fpga器件 中。5. 结束语本文通过16阶fir滤波器的设计也仿真，简单的介绍了使用matlab/dsp builder等工具软件设计滤波器的流程、 方法和要点。借助matlab/simulink等工具，设计者无需通 过繁琐的vhdl变成，而可以是一个复杂的电子系统设计变 得容
12、易直观。通过dsp builder将mat lab和quartus ii相 结合，互补不足，同时增强quartus ii的设计效率，为实 际问题的处理提供捷径。图8 simulink仿真结果（系统级） 参考文献：1 潘松，黄继业.eda技术与vhdl （第2版）m.北 京：清华大学岀版社，2007.2 黄科，艾琼龙，李磊.eda与数字系统设计案例实 践m.北京：清华大学出版社，2010.3 arthurb. williams, fred j. taylor宁彦卿，姚 金科译.电子滤波器设计m.北京：科学岀版社，2008.4 miroslav d lutovac dejanv. tosic brian 1. evans 著.朱义胜，董辉等译.信号处理滤波器设计m.北京： 电子工业出版社，2004.5 黄红，林德離.fir数字滤波器的fpga实现j.江 汉大学学报（自然科学版），2004 vol. 32 no. 4:24-27.6 刘欲晓，方强，黄苑宁等编著.eda技术与vhdl电 路开发应用实践m北京：电子工业出版社，2009.ImiMium
