基于VerilogHDL的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真

　　引言

　　數(shù)字濾波器是語音與圖像處理、模式識(shí)別、雷達(dá)信號(hào)處理、頻譜分析等應(yīng)用中的一種基本的處理部件, 它能滿足波器對(duì)幅度和相位特性的嚴(yán)格要求, 避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器能在設(shè)計(jì)任意幅頻特性的同時(shí)保證嚴(yán)格的線性相位特性。

　　1 FIR 數(shù)字濾波器

　　FIR 濾波器用當(dāng)前和過去輸入樣值的加權(quán)和來形成它的輸出, 如下所示的前饋差分方程所描述的。

　　FIR 濾波器又稱為移動(dòng)均值濾波器, 因?yàn)槿魏螘r(shí)間點(diǎn)的輸出均依賴于包含有最新的M個(gè)輸入樣值的一個(gè)窗。由于它的響應(yīng)只依賴于有限個(gè)輸入, FIR 濾波器對(duì)一個(gè)離散事件沖激有一個(gè)有限長非零響應(yīng), 即一個(gè)M階FIR 濾波器對(duì)一個(gè)沖激的響應(yīng)

　　在M個(gè)時(shí)鐘周期之后為零。

　　FIR濾波器可用圖1 所示的z 域塊圖來描述。

　　其中每個(gè)標(biāo)有z- 1 的方框都代表了有一個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的寄存器單元。這個(gè)圖中標(biāo)出了數(shù)據(jù)通道和必須由濾波器完成的操作。濾波器的每一級(jí)都保存了一個(gè)已延時(shí)的輸入樣值, 各級(jí)的輸入連接和輸出連接被稱為抽頭, 并且系數(shù)集合{hk}稱為濾波器的抽頭系數(shù)。一個(gè)M階的濾波器有M+1 個(gè)抽頭。通過移位寄存器用每個(gè)時(shí)鐘邊沿n( 時(shí)間下標(biāo)) 處的數(shù)據(jù)流采樣值乘以抽頭, 并且求和得到輸出yFIR[n]。濾波器的加法和乘法必須足夠快, 在下一個(gè)時(shí)鐘來到之前形成y[n]。并且在每一級(jí)中都必須測量它們的大小以適應(yīng)他們數(shù)據(jù)通道的寬度。在要求精度的實(shí)際應(yīng)用中, Lattice 結(jié)構(gòu)可以減少有限字長的影響, 但增加了計(jì)算成本。一般的目標(biāo)是盡可能快地濾波, 以達(dá)到高采樣率。通過組合邏輯的最長信號(hào)通路包括M級(jí)加法和一級(jí)乘法運(yùn)算。FIR 結(jié)構(gòu)指定機(jī)器的每一個(gè)算術(shù)單元有限字長, 并且管理運(yùn)算過程中數(shù)據(jù)流。

　　2 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　目前FIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有三種: 利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP 器件和可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。單片通用數(shù)字濾波器使用方便, 但由于字長和階數(shù)的規(guī)格較少, 不能完全滿足實(shí)際需要。使用DSP 器件實(shí)現(xiàn)雖然簡單, 但由于程序順序執(zhí)行, 執(zhí)行速度必然不快。FPGA/CPLD 有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源, 特別適合于數(shù)字信號(hào)處理任務(wù), 相對(duì)于串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用DSP 芯片來說, 其并行性和可擴(kuò)展性更好。但長期以來, FPGA/CPLD 一直被用于系統(tǒng)邏輯或時(shí)序控制上, 很少有信號(hào)處理方面的應(yīng)用, 其原因主要是因?yàn)樵贔PGA/CPLD 中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)在的FPGA 產(chǎn)品已經(jīng)能夠完全勝任這種任務(wù)了。其中Altera公司的Stratix 系列產(chǎn)品采用1.5V 內(nèi)核, 0.13um 全銅工藝制造, 它除了具有以前Altera FPGA 芯片的所有特性外, 還有如下特點(diǎn): 芯片內(nèi)有三種RAM 塊, 即512bit 容量的小RAM(M512) 、4KB 容量的標(biāo)準(zhǔn)RAM(M4K) 、512KB 的大容量RAM(MegaRAM) 。內(nèi)嵌硬件乘法器和乘加結(jié)構(gòu)的DSP 塊, 適于實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理; 采用全新的布線結(jié)構(gòu), 分為三種長度的行列布線, 在保證延時(shí)可預(yù)測的同時(shí)增加布線的靈活性; 增加片內(nèi)終端匹配電阻, 提高信號(hào)完整性, 簡化PCB 布線; 同時(shí)具有時(shí)鐘管理和鎖相環(huán)能力。

　　FIR 濾波器的Verilog HDL 設(shè)計(jì)實(shí)例