摘 要： 以FPGA為硬件平臺，利用FPGA的DSP開發工具DSP Builder對數字濾波器進行建模設計及系統模型仿真，生成VHDL工程文件，編制相應頂層文件，使其符合濾波器硬件系統。利用QuartusⅡ對項目進行綜合、編譯和調試，生成原理圖模塊和RTL電路圖。通過對5 kHz方波信號進行仿真濾波，并將VHDL下載到硬件系統中進行硬件實現，有效地提取到5 kHz的正弦信號。實驗結果表明，該設計很好地達到了FIR濾波器的性能，為數字濾波器的設計與實現提供了新的途徑和方法。
關鍵詞： FIR數字濾波器；FPGA；DSP Builder；VHDL代碼
數字濾波技術是數字信號處理技術的重要分支。無論是信號的處理交換，還是信號的獲取、傳輸，都離不開濾波技術。數字濾波的實驗實現方法有在通用計算機上用軟件實現、采用DSP實現、采用FPGA實現?？焖侔l展的EDA技術和大規模可編程器件，使得采用FPGA實現數字濾波器可以克服傳統DSP技術中的技術瓶頸，在高可靠性、高速與實時性、系統的重配置與硬件可重構性、單片系統的可實現性及自主知識產權化等許多方面具有突出的優勢。
本設計采用FPGA設計工具DSP Builder實現FIR數字濾波器的設計方案，按照MATLAB/Simulink/DSP Builder/Quartus II的設計流程，設計一個32階的抽樣頻率為400 kHz，截止頻率為10 kHz的FIR低通濾波器。在硬件實現上應用A/D轉換芯片AD9224采樣輸入信號后送給FPGA芯片EP1C6Q240C8處理，處理后的信號經D/A轉換芯片AD9764轉換為模擬信號輸出。軟件仿真與硬件實驗結果表明，該設計基于FPGA的FIR數字濾波器濾波效果良好，可有效提取需要的信號。
1 FIR濾波器建模設計分析
FPGA器件由大量邏輯宏單元構成，通過配置，使這些邏輯單元形成不同的硬件結構，從而構成不同的電子系統，完成不同的功能。正是FPGA的這種硬件重構的靈活性，使得用硬件描述語言（VHDL或Verilog HDL）描述的電路在FPGA中實現。而DSP Builder可以完成基于FPGA的DSP系統設計的整個過程，它是連接MATLAB/Simulink和QuartusII開發軟件的DSP技術，在Simulink中進行圖形設計和仿真，同時又通過Signal Compiler把MATLAB/Simulink的設計文件（.mdl）轉換成相應的硬件描述語言VHDL設計文件（.vhd），以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本，然后可以用FPGA開發工具Quartus II實現綜合、布線、RTL級仿真以及生成目標板下載文件，在靈活的硬件實驗平臺上實現。
FIR濾波器的數學表達式為：
FIR的濾波過程就是一個信號逐級延遲移位的過程，將各級的延遲輸出加權累加，即得到FIR濾波器的輸出，其中最主要的算法是乘累加運算。根據FIR濾波器的數學表達式，用Altera DSP Builder建立圖1所示的FIR濾波器圖形仿真模型，主要由總線模塊、采樣率降低模塊（Down Sampling）、移位寄存器模塊（Shift Taps）、乘累加模塊（MultAdd32）、總線類型轉換模塊（Bus Conversion）以及方波信號產生模塊（Pulse Generator）和觀測仿真結果的示波器組成。其中乘累加模塊采用層次化設計，由前一級的移位寄存器提供數據輸入，經過多級累加求和得到FIR濾波器的輸出結果，其內部子模塊采用8個Multiply Add構成，每個Multiply Add模塊具體設置為：Number of Multipilers：4、Bus Type：Signed Integer、Inputs[number of bits].[]：12、No Register、Constant Values為濾波器設計系數，并將輸出用Paraller Adder相加在一起。由于在后續硬件實現上A/D采用12 bit、D/A采用14 bit，因此輸入信號FIRIN為12 bit整型、輸出信號FIROUT為14 bit整型。
濾波器的設計指標為：32階低通濾波器，采樣率為400 kHz，截止頻率為10 kHz。采用MATLAB中FDATool工具，使用Hamming窗，計算出濾波器系數。在MATLAB命令行中輸入：round（Num1×212），得到FIR濾波器的整形系數h[32]={4 6 10 16 25 37 52 70 90 112 134 155 173 188 199 204 204 199 188 173 155 134 112 90 70 52 37 25 16 10 6 4}。
濾波器建模設計完成后，輸入5 kHz的方波信號，從中提取5 kHz的正弦波信號，其仿真波形如圖2所示。從仿真波形可以看出，經過FIR濾波后，很好地達到濾波效果。
在FIR模型中用Signal Compiler模塊Analyze模型，然后選定Cyclone系列FPGA，使用QuartusII綜合工具，優化規則，并產生VHDL程序。
2 FIR濾波器硬件實現系統
FIR數字濾波器FPGA實現的硬件系統如圖3所示，該系統由A/D轉換模塊、FPGA模塊、D/A轉換模塊和電源模塊4部分組成。
FPGA模塊采用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C6Q240C8。
A/D轉換模塊的主要功能是對模擬信號進行數字化，然后送入FPGA中進行數字信號處理。A/D轉換芯片使用ADI公司單芯片、12 bit、40 MS/s模數轉換器AD9224。AD9224采用單電源供電，內置一個片內高性能采樣保持放大器和基準電壓源。它采用多級差分流水線架構，內置輸出糾錯邏輯，在40 MS/s數據速率時可提供12 bit精度，并保證在整個工作溫度范圍內無失碼。
D/A轉換模塊的主要功能是將FPGA處理后輸出的數字信號轉換為模擬量，然后經信號調理輸出。A/D轉換芯片選用ADI公司的AD9764。AD9764屬于TxDAC系列高性能、低功耗CMOS數模轉換器（DAC）的14 bit分辨率。
在硬件實現過程中，由于要使用A/D轉換時鐘信號AD_CLK和D/A轉換時鐘信號DA_CLK，需要設計頂層文件，以便調用前述所設計的FIR濾波器。
頂層主要源程序如下：
entity FIR is
port（
AD_IN：in STD_LOGIC_VECTOR（11 downto 0）；
DA_OUT：out STD_LOGIC_VECTOR（13 downto 0）；
CLK_IN：in STD_LOGIC；
AD_CLK：out STD_LOGIC；
DA_CLK：out STD_LOGIC）；
end entity；
architecture rtl of FIR is
component FIRSimulink
port（
FIRIN：in STD_LOGIC_VECTOR（11 downto 0）；
Input：in STD_LOGIC；
FIROUT：out STD_LOGIC_VECTOR（13 downto 0）；
FIRaclr：in STD_LOGIC；
FIRClock：in STD_LOGIC）；
end component；
……
FIRSimulink_instance：
component FIRSimulink
port map（
FIRIN=>ad_d2，
input=>clk_div，
FIROUT=>da_d2，
FIRaclr=>FIR_aclr，
FIRClock=>CLK_IN）；
……
頂層實體原理圖如圖4所示，輸入時鐘CLK_IN由外部40 MHz晶振提供。A/D轉換后的數字量由AD_IN[11..0]輸入，輸出數字量由DA_OUT[13..0]輸出給D/A轉換器。CLK_IN 100分頻后由AD_CLK、DA_CLK送給A/D、D/A芯片。
對整個項目進行綜合、編譯和調試后，生成的RTL級電路圖如圖5所示。
3 硬件測試實現
濾波器硬件測試系統中，函數信號發生器產生的5 kHz方波信號一路直接輸入數字示波器CH2通道，另一路輸入給A/D轉換模塊，經FPGA濾波后送給D/A轉換模塊輸出給示波器的CH1通道。通過JTAG接口配置FPGA，測試結果如圖6所示。由圖6可以看出，輸入5 kHz方波信號，經過濾波后得到輸出為5 kHz的正弦波信號。測試結果與MATLAB/Simulink/DSP Builder模型仿真結果相同，證明該濾波器設計正確，濾波效果很好。
本文主要研究了FIR數字濾波器的設計，包括建模算法仿真以及最后的硬件實現。
設計結果表明，在利用FPGA進行數字濾波器設計時，利用DSP Builder可以簡化計算與設計難度，加快設計速度，靈活選擇精度，實現優化設計。將DSP Builder與Quartus II軟件有機融合，整個開發流程一氣呵成，真正實現了自頂向下的設計流程，充分顯示了現代EDA（電子設計自動化）開發的特點與優勢。設計不同性能的濾波器電路，只需修改濾波器模型文件即可實現，不僅避免了繁瑣的VHDL語言編程，而且易于修改、測試及硬件升級，成本相對較低，具有一定的工程設計參考價值。
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