第6章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)ppt課件

1、第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 第第6章章 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.1 FIR數(shù)字濾波器原理數(shù)字濾波器原理 6.2 使用使用DSP Builder設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 6.3 使用使用FIR IP Core設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)FIR濾波器濾波器 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.1 FIR數(shù)字濾波器原理數(shù)字濾波器原理 對(duì)于一個(gè)FIR濾波器系統(tǒng)而言，它的沖激響應(yīng)總是有限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可以記為MkkkzbzH0)(第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 其中M是FIR濾波器的零點(diǎn)數(shù)，即延時(shí)節(jié)數(shù)，為敘述簡(jiǎn)便，

2、在本章中M被稱(chēng)為FIR濾器的階數(shù)。最基本的FIR濾波器可用下式表示：10)()()(Liihinxny 其中x(n)是輸入采樣序列，h(i)是濾波器系數(shù)，L是濾波器的系數(shù)長(zhǎng)度，y(n)表示濾波器的輸出序列。也可以用卷積來(lái)表示輸出序列y(n)與x(n)、h(n)的關(guān)系。)()()(nhnxny第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-1中顯示了一個(gè)典型的直接I型4階FIR濾波器，其輸出序列y(n)滿足下列等式：)3()3()2()2() 1() 1 ()()0()(nxhnxhnxhnxhnh第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-1 4階FIR濾波

3、器結(jié)構(gòu) z1x(n)h(0)y(n)z1z1h(1)h(2)h(3)第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 在這個(gè)FIR濾波器中，總共存在3個(gè)延時(shí)節(jié)，4個(gè)乘法單元，一個(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 Processor)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，這不可能在一個(gè)DSP(指數(shù)字信號(hào)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。 但是，如果采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，就可以采用并行結(jié)構(gòu)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)得到一個(gè)FIR濾波器的輸出。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.2 使用使用DSP Builder設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)FIR數(shù)

4、字濾波器數(shù)字濾波器 使用DSP Builder可以方便地在圖形化環(huán)境中設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，而且濾波器系數(shù)的計(jì)算可以借助Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力和現(xiàn)成的濾波器設(shè)計(jì)工具來(lái)完成。 6.2.1 3階常系數(shù)FIR濾波器的設(shè)計(jì) 在此用以下示例來(lái)說(shuō)明整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。 假定一個(gè)3階的FIR濾波器，其可以表示為)3() 3()2()2() 1() 1 ()()0()(nxhnxhnxhnxhCnhq第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 其中：h(0)=63，h(1)=127，h(2)=127，h(3)=63，是量化時(shí)附加的因子。 這里采用直接I型來(lái)實(shí)現(xiàn)該FIR濾波器。設(shè)計(jì)好的3階直接I型F

5、IR濾波器模型圖可以參見(jiàn)圖6-2。具體的新模型建立、模塊調(diào)用過(guò)程可以參見(jiàn)第3章。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-2 3階FIR濾波器第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖中模塊的參數(shù)作如下設(shè)置：xin模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Input port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“8”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) yout模塊：(Altbus)庫(kù)：A

6、ltera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Output port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“8” Parallel Adder Subtractor模塊：(Parallel Adder Subtractor)庫(kù)：Altera DSP Builder中Arithmetic庫(kù)“Add(+)Sub(-)”設(shè)為“+”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) Delay1、Delay2、Delay3模塊：(Delay)庫(kù)：Altera DSP Builder中

7、Storage庫(kù)參數(shù)“Depth設(shè)為“1”參數(shù)“Clock Phase Selection設(shè)為“1” h0模塊：(Gain)庫(kù)：Altera DSP Builder中Arithemtic庫(kù)參數(shù)“Gain Value設(shè)為“63”參數(shù)“Map Gain Value to Bus Type設(shè)為“Signed Integer”參數(shù)“Gate Value number of bits設(shè)為“8”參數(shù)“Number of Pipeline Levels設(shè)為“0”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) h1模塊：(Gain)參數(shù)“Gain Value設(shè)為“127”其余同h0模塊 h2模塊：(

8、Gain)參數(shù)“Gain Value設(shè)為“127”其余同h0模塊 h3模塊：(Gain)參數(shù)“Gain Value設(shè)為“63”其余同h0模塊第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 由于FIR濾波器的系數(shù)已經(jīng)給定，是一個(gè)常數(shù)，從圖中看到，在DSP Builder中可以用Gain(增益)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算，用延時(shí)Delay模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)序列的延時(shí)。 設(shè)計(jì)完3階FIR濾波器模型后，就可以添加Simulink模塊進(jìn)行仿真了，如圖6-3所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-3 帶仿真模塊的3階濾波器模型第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波

9、器設(shè)計(jì) 新增的仿真模塊的參數(shù)作如下設(shè)置：Chirp Signal模塊：(Chirp Signal)庫(kù)：Simulink中Sources庫(kù)參數(shù)“Initial Frequency(Hz)”設(shè)為“0.1”參數(shù)“Target time設(shè)為“10”參數(shù)“Frequency at target time(Hz)”設(shè)為“1”參數(shù)“Interpret vectors parameters as 1-D選中第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) Gain模塊：(Gain)庫(kù)：Simulink中Math Operations庫(kù)參數(shù)“Gain設(shè)為“127”參數(shù)“Multiplication設(shè)為“

10、Element wise(K.*u)”Scope模塊：(Scope)庫(kù)：Simulink中sinks庫(kù)參數(shù)“Number of Axes為“2”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 其中，Chirp Signal模塊為線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生模塊，生成一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)0.1 Hz1 Hz。 在該模型仿真中，使用默認(rèn)的仿真參數(shù)。 仿真結(jié)果如圖6-4所示。顯然，一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)3階FIR濾波器后幅度發(fā)生了變化，頻率較高部分的幅度被衰減了。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-4 FIR濾波器仿真結(jié)果 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

11、 6.2.2 4階FIR濾波器節(jié)的設(shè)計(jì) 上節(jié)介紹的是常系數(shù)FIR濾波器的示例。本節(jié)將設(shè)計(jì)一個(gè)系數(shù)可變的FIR濾波器節(jié)。對(duì)于直接I型的FIR濾波器(結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-5)，是可以級(jí)聯(lián)的。也就是說(shuō)，在濾波器系數(shù)可變的情況下，可以預(yù)先設(shè)計(jì)好一個(gè)FIR濾波器節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)不斷地調(diào)用FIR濾波器節(jié)，將其級(jí)聯(lián)起來(lái)，用來(lái)完成多階FIR濾波器的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，對(duì)于線性相位的FIR濾波器，我們可以采用改進(jìn)后的濾波器結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省一半的乘法器。在這里，為了敘述方便，沒(méi)有采用改進(jìn)后的FIR結(jié)構(gòu)。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-5 直接I型FIR濾波器結(jié)構(gòu)z1xinh(0)youtz1z1

12、h(1)h(2)x(n)z1h(k 1)h(k)x(n k)第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-6是一個(gè)直接I型的4階FIR濾波器節(jié)的結(jié)構(gòu)。為了使該濾波器節(jié)的調(diào)用更為方便，在xin輸入后插入了一個(gè)延時(shí)單元，由3階濾波器演變成4階的,不過(guò)常系數(shù)項(xiàng)(系數(shù)項(xiàng)) 恒為0。由于在通信應(yīng)用中，F(xiàn)IR濾波器處理的往往是信號(hào)流，因而增加一個(gè)延時(shí)單元不會(huì)影響FIR濾波器處理的結(jié)果，只是系統(tǒng)延時(shí)增加了一個(gè)時(shí)鐘周期。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-6 直接I型4階FIR濾波器節(jié) z1xinh(1)y4outz1z1h(2)h(3)h(4)x(n1)z1第第

13、6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 對(duì)于該FIR濾波器節(jié)，其系統(tǒng)函數(shù)可以用下式來(lái)表示： 由于浮點(diǎn)小數(shù)在FPGA中實(shí)現(xiàn)比較困難，實(shí)現(xiàn)的代價(jià)太大，因而在DSP Builder中不妨使用整數(shù)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后用位數(shù)舍取的方式得到結(jié)果。為了使參數(shù)可變，F(xiàn)IR濾波器系數(shù)、也作為輸入端口。在本設(shè)計(jì)中輸入序列的位寬設(shè)為9位。 圖6-7顯示的就是一個(gè)設(shè)計(jì)好的4階FIR濾波器節(jié)，與圖6-2的常數(shù)FIR濾波器相比，這里用Product(乘法)模塊代替了Gain(增益)模塊。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-7 直接I型4階FIR濾波器節(jié)第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字

14、濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-7中相關(guān)模塊的參數(shù)設(shè)置如下：xin、hn1、hn2、hn3、hn4模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Input port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“9”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) yn模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“O

15、utput port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“20” xn4模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Output port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“9”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) Parallel Adder Subtractor模塊：(Parallel Adder Subtractor)庫(kù)：Altera DSP Builder中Arithmetic庫(kù)參數(shù)“Add(+)Sub(-)”設(shè)為“

16、+”使用“Pipeline”參數(shù)“Clock Phaese Selectioon設(shè)為“1” Delay、Delay1、Delay2、Delay3模塊：(Delay)庫(kù)：Altera DSP Builder中Storage庫(kù)參數(shù)“Depth設(shè)為“1”參數(shù)“Clock Phase Selection設(shè)為“1” 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) Product模塊：(Product)庫(kù)：Altera DSP Builder中Arithemtic庫(kù)參數(shù)“Pipeline設(shè)為“2”參數(shù)“Clock Phase Selection設(shè)為“1”不選擇“Use LPM”第第6 6章章 F

17、IRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.2.3 16階FIR濾波器模型設(shè)計(jì) 利用以上設(shè)計(jì)的4階FIR濾波器節(jié)可以方便地搭成階直接I型FIR濾波器(注意: )。比如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)16階的低通濾波器，可以調(diào)用4個(gè)4階FIR濾波器節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1. 設(shè)計(jì)4階FIR濾波器節(jié)子系統(tǒng) 建立一個(gè)新的DSP Builder模型，復(fù)制上節(jié)的FIR4tap模型到新模型。按照第4章所示的方法由FIR4tap模型建立子系統(tǒng)(SubSystem)，并對(duì)端口信號(hào)進(jìn)行修改，把子系統(tǒng)更名為fir4tap，如圖6-8所示。fir4tap的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-8

18、fir4tap子系統(tǒng) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-9 fir4tap子系統(tǒng)內(nèi)部原理圖 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 2. 組成16階FIR濾波器模型 復(fù)制4個(gè)fir4tap，并將它們銜接起來(lái)。前一級(jí)的輸出端口x4接后一級(jí)的x輸入端口，并附加上16個(gè)常數(shù)端口，作為FIR濾波器系數(shù)的輸入。把4個(gè)子系統(tǒng)fir4tap的輸出端口y連接起來(lái)，接入一個(gè)4輸入端口的加法器，得到FIR濾波器的輸出yout。 注意：在作好子系統(tǒng)后，要按照第4章中所述的方式，修改其Mask參數(shù)Mask Type為“SubSystem AlteraBlockSet”。

19、設(shè)計(jì)好的16階FIR濾波器如圖6-10所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-10 16階直接I型FIR濾波器模型第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 16階直接I型FIR濾波器模型中，對(duì)新增加的模塊作如下設(shè)置：xin模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Input port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“9”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) yout模塊：(Alt

20、bus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Output port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“20” x16模塊：(Altbus)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“signed Integer”參數(shù)“Node Type設(shè)為“Output port”參數(shù)“number of bits設(shè)為“9”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) Parallel Adder Subt

21、ractor模塊：(Parallel Adder Subtractor)庫(kù)：Altera DSP Builder中Arithmetic庫(kù)參數(shù)“Add(+)Sub(-)”設(shè)為“+”使用“Pipeline”參數(shù)“Clock Phaese Selectioon設(shè)為“1” h0、h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9、h10、h11、h12、h13、h14、h15模塊：(Delay)庫(kù)：Altera DSP Builder中Bus Manipulation庫(kù)參數(shù)“Bus Type設(shè)為“Signed Integer”參數(shù)“number of bits設(shè)為“9”第第6 6章章 FIRFIR數(shù)

22、字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.2.4 使用MATLAB的濾波器設(shè)計(jì)工具1. 濾波器指標(biāo)若需要設(shè)計(jì)一個(gè)16階的FIR濾波器()，給定的參數(shù)如下： 低通濾波器 采樣頻率Fs為48 kHz，濾波器Fc為10.8 kHz 輸入序列位寬為9位(最高位為符號(hào)位)在此利用MATLAB來(lái)完成FIR濾波器系數(shù)的確定。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 2. 打開(kāi)MATLAB的FDATool MATLAB集成了一套功能強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具FDATool(Filter Design & Analysis Tool)，可以完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能評(píng)估。 點(diǎn)擊MATLAB主窗口下

23、方的“Start”(開(kāi)場(chǎng))按鈕，按圖6-11選擇“ToolBox”“Filter Design”“Filter Design & Analysis Tool(FDATool)”，打開(kāi)FDATool，如圖6-12所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-11 打開(kāi)FDATool 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-12 FDATool界面第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 3. 選擇Design FilterFDATool界面左下側(cè)排列了一組工具按鈕，其功能分別如下所述： 濾波器轉(zhuǎn)換(TransForm Fil

24、er) 設(shè)置量化參數(shù)(Set Quantization Parameters) 實(shí)現(xiàn)模型(Realize Model) 導(dǎo)入濾波器(Import Filter) 設(shè)計(jì)濾波器(Design Filter)選擇其中的按鈕，進(jìn)入設(shè)計(jì)濾波器界面，進(jìn)行下列選擇：第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 濾波器類(lèi)型(Filter Type)為低通(Lowpass)； 設(shè)計(jì)方法(Design Method)為FIR，采用窗口法(Window)； 濾波器階數(shù)(Filter Order)定制為15； 窗口類(lèi)型為Kaiser，Beta為0.5； Fs為48 kHz，F(xiàn)c為10.8 kHz。 設(shè)置好

25、后的界面見(jiàn)圖6-13。 注意：在濾波器階數(shù)選擇時(shí)，在此設(shè)置的是15階，而不是16階！這是由于在前面設(shè)計(jì)的16階FIR濾波器的常系數(shù)項(xiàng)。其系統(tǒng)函數(shù)可用下式來(lái)表示：第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-13 濾波器設(shè)計(jì)界面第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 顯然上式可以寫(xiě)成： 即可以看成是一個(gè)15階的FIR濾波器的輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)了一個(gè)單位延時(shí)單元。所以在FDATool中把它當(dāng)成15階FIR濾波器來(lái)計(jì)算參數(shù)。點(diǎn)擊，讓MATLAB計(jì)算FIR濾波器系數(shù)并作相關(guān)分析。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 4. 濾波器分析 計(jì)算完FIR濾波器

26、系數(shù)后，往往需要對(duì)設(shè)計(jì)好的FIR濾波器進(jìn)行相關(guān)的性能分析，以便了解該濾波器是否滿足設(shè)計(jì)要求。分析操作步驟如下： 選擇FDATool的菜單“Analysis”“Magnitude Response”，啟動(dòng)幅頻響應(yīng)分析。圖6-14顯示了濾波器的幅頻響應(yīng)圖，x軸為頻率，y軸為幅度值(單位為dB)。 在圖的左側(cè)列出了當(dāng)前濾波器的相關(guān)信息：第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 濾波器類(lèi)型為Direct form FIR(直接I型FIR濾波器)； 濾波器階數(shù)為15。 注意：不是每種FIR濾波器設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的濾波器都是直接I型結(jié)構(gòu)的。如果在DSP Builder中設(shè)計(jì)的FIR濾波器為直

27、接I型結(jié)構(gòu)，那就必須保證在這里顯示的FIR濾波器結(jié)構(gòu)為“Direct form FIR”。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-14 FIR濾波器的幅頻響應(yīng)第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 選擇菜單“Analysis”“Phase Response”，啟動(dòng)相頻響應(yīng)分析。圖6-15顯示了濾波器的相頻響應(yīng)。由圖可以看到設(shè)計(jì)的FIR濾波器在通帶內(nèi)其相位響應(yīng)為線性的，即該濾波器是一個(gè)線性相位的濾波器。 圖6-16顯示了濾波器幅頻特性與相頻特性的比較。這可以通過(guò)菜單選擇“Analysis”“Magnitude & Phase Response來(lái)啟

28、動(dòng)分析。 選擇菜單“Analysis”“Group Delay Response”，啟動(dòng)群延時(shí)分析，波形如圖6-17所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-15 FIR濾波器的相頻響應(yīng) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-16 幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)的比較 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-17 FIR濾波器的群延時(shí) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 在菜單“Analysis下還有一些分析： “Impulse Response”：沖激響應(yīng)，見(jiàn)圖6-18。 “Step Response”：

29、階躍響應(yīng)，見(jiàn)圖6-19。 “Pole/Zero Plot”：零極點(diǎn)圖，見(jiàn)圖6-20。 由于直接I型FIR濾波器只有零點(diǎn)，所以在圖6-20中不存在極點(diǎn)。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-18 FIR濾波器的沖激響應(yīng) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-19 FIR濾波器的階躍響應(yīng) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-20 FIR濾波器的零極點(diǎn)第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 求出的FIR濾波器的系數(shù)可以通過(guò)選擇菜單“Analysis”“Filter Coefficients來(lái)觀察，見(jiàn)圖6

30、-21。圖中列出了FDATool計(jì)算的15階直接I型FIR濾波器的部分系數(shù)。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-21 FIR濾波器系數(shù) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 5. 量化 從圖6-21可以看到，F(xiàn)DATool計(jì)算出的值是一個(gè)有符號(hào)小數(shù)，而在DSP Builder下建立的FIR濾波器模型需要一個(gè)整數(shù)作為濾波器系數(shù)。所以必須進(jìn)行量化，并對(duì)得到的系數(shù)進(jìn)行歸一化。為此，點(diǎn)擊FDATool左下側(cè)的工具按鈕進(jìn)行量化參數(shù)設(shè)置。在設(shè)置“Turn quantization on前選擇“”，如圖6-22所示。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)

31、字濾波器設(shè)計(jì) 在濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)中，已經(jīng)提到FIR濾波器的輸入位寬是9位，表示為有符號(hào)數(shù)。在圖6-22中設(shè)置前4項(xiàng)的量化格式(Format)為“9 8”，表示量化后位寬為9位，絕對(duì)值為8位；設(shè)置后2項(xiàng)(乘積、乘積和)的量化格式為“18 16”。 點(diǎn)擊按鈕，打開(kāi)圖6-23所示的對(duì)話框。在此量化優(yōu)化設(shè)置對(duì)話框中選擇相關(guān)的優(yōu)化選項(xiàng)。 圖6-24中顯示了量化后的部分系數(shù)值。注意在這里系數(shù)仍是用小數(shù)表示的，不同于量化前的系數(shù)，現(xiàn)在其二進(jìn)制表示的位數(shù)已滿足量化要求。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-22 量化參數(shù)設(shè)置 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

32、圖6-23 量化優(yōu)化設(shè)置對(duì)話框 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-24 量化后的系數(shù)值 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的FIR濾波器在量化后濾波器的性能會(huì)有所改變，其幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)也有所變化。量化在帶來(lái)實(shí)現(xiàn)方便的同時(shí)也帶來(lái)了量化噪聲，圖6-26顯示了量化帶來(lái)的噪聲分析。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-25 量化后的幅頻、相頻響應(yīng) 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-26 量化后的噪聲分析 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6. 導(dǎo)出濾波器系數(shù) 為

33、導(dǎo)出設(shè)計(jì)好的濾波器系數(shù)，選擇FDATool菜單的“File”“Export.”，打開(kāi)導(dǎo)出(Export)對(duì)話框，如圖6 - 2 7 所 示 。 在 該 窗 口 中 ， 選 擇 導(dǎo) 出 到 工 作 區(qū)(Workspace)。這時(shí)濾波器系數(shù)就存入到一個(gè)一維變量Num中了，不過(guò)這時(shí)Num中的元素是以小數(shù)形式出現(xiàn)的： Num = -0.0742 0.0234 0.1133 0.0117 -0.1758 -0.0977 0.3594 0.8281 0.8281 0.3594 -0.0977 -0.1758 0.0117 0.1133 0.0234 -0.0742 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)

34、計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖圖6-27 導(dǎo)出系數(shù)對(duì)話框?qū)С鱿禂?shù)對(duì)話框第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 現(xiàn)在若要在FIR濾波器模型中使用這些數(shù)據(jù)，還需要將它們轉(zhuǎn)化為整數(shù)：在MATLAB主窗口的命令窗口中鍵入：Num * (28)得到： Num*(28)ans = Columns 1 through 10 -19 6 29 3 -45 -25 92 212 212 92 Columns 11 through 16 -25 -45 3 29 6 -19第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 7. 修改FIR濾波器模型添加參數(shù) 把計(jì)算出的系數(shù)逐個(gè)填入到FIR濾波器模型

35、中，見(jiàn)圖6-28。這樣就完成了一個(gè)16階直接I型FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)。 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-28 16階低通FIR濾波器第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 8. 導(dǎo)出濾波器系數(shù)的另一種方法 按照上面介紹的導(dǎo)出濾波器系數(shù)的方法在FIR濾波器階數(shù)較大時(shí)就不太方便，而且在設(shè)計(jì)要求有所變化時(shí)系數(shù)的修改極為不利?？梢园凑找韵路椒▉?lái)導(dǎo)出： 把FIR濾波器模型中的h1h16模塊的參數(shù)“Constant Value(常數(shù)值)”設(shè)置為： Num(n)*(28) 其中Num同上文所述，是FDATool的導(dǎo)出系數(shù)，n用具體的數(shù)字來(lái)代替，如h1模塊用

36、Num(1)*(28)，h2模塊用Num(2)*(28)。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.2.5 16階FIR濾波器的硬件實(shí)現(xiàn) 1. 由Simulink模型轉(zhuǎn)成VHDL 打開(kāi)SingalCompiler，選定器件系列，把模型轉(zhuǎn)成VHDL文件，具體操作步驟可以參見(jiàn)第3章。 2. 綜合 在SignalCompiler中選擇Quartus II進(jìn)行綜合，或者利用第三方綜合工具，比如LeonardoSpectrum進(jìn)行綜合。圖6-29顯示了LeonardoSpectrum綜合結(jié)果的部分RTL原理圖。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 3. 適配下載

37、如果采用Quartus II進(jìn)行綜合，在Quartus II中打開(kāi)SignalCompiler建立的Quartus項(xiàng)目文件，選擇具體器件，鎖定管腳，完成適配后下載至FPGA開(kāi)發(fā)板中。若采用其它綜合工具進(jìn)行綜合，適配流程請(qǐng)參見(jiàn)第4章。 在FPGA開(kāi)發(fā)板上加入高頻信號(hào)源，驗(yàn)證FIR濾波器的濾波效果。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-29 LeonardoSpectrum綜合結(jié)果第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.3 使用使用FIR IP Core設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)FIR濾波器濾波器 對(duì)于一個(gè)面向市場(chǎng)和實(shí)際工程應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在開(kāi)發(fā)速度和效率方面要求很高

38、。然而對(duì)于一般的設(shè)計(jì)者，在短期內(nèi)也不可能全面了解FIR濾波器(指在FPGA上實(shí)現(xiàn))相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)，也沒(méi)有必要了解過(guò)多的細(xì)節(jié)。另外，F(xiàn)IR濾波器的濾波系數(shù)的確定，即FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法也是比較麻煩的，需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間才能設(shè)計(jì)出在速度、資源利用、性能上都滿足要求的FIR濾波器。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 另一方面，雖然DSP Builder提供了大量的基本DSP模塊，但是要了解用哪些模塊可以構(gòu)建一個(gè)高效的FIR濾波器仍然不是一件簡(jiǎn)單的事情。 但是，如果采用設(shè)計(jì)好的FIR濾波器的IP核，幾乎可以很容易地解決以上的問(wèn)題。對(duì)于IP核，在速度、資源利用、性能上往往進(jìn)

39、行過(guò)專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，還提供了相關(guān)的IP應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。 Altera提供的FIR Compiler是一個(gè)結(jié)合Altera FPGA器件的FIR Filter Core，DSP Builder與FIR Compiler可以緊密地結(jié)合起來(lái)。DSP Builder提供了一個(gè)FIR Core的應(yīng)用環(huán)境和仿真驗(yàn)證環(huán)境。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.3.1 FIR濾波器核與DSP Builder集成 使用FIR Core之前，首先必須保證Matlab、DSP Builder、Quartus II以及IP核的本身，即FIR Compiler等工具安裝正確。如果一切正常，我們可以在S

40、imulink庫(kù)管理器中看到“Altera MegaCore FIR Compiler這個(gè)庫(kù)，如圖6-30所示。 MegaCore是Altera的IP Core計(jì)劃中的一個(gè)組成部分，F(xiàn)IR Compiler作為一個(gè)MegaCore，不附帶在DSP Builder和Quartus II中，需要單獨(dú)向Altera公司購(gòu)買(mǎi)或申請(qǐng)?jiān)囉冒妗，F(xiàn)在最新的FIR Compiler的版本可以支持Quartus II和DSP Builder。第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-30 FIR Core模塊 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 6.3.2 FIR濾波器

41、核的使用 1. 調(diào)用FIR模塊 在 S i m u l i n k 環(huán) 境 中 新 建 一 個(gè) 模 型 ， 放 置SignalCompiler模塊和FIR模塊(如圖6-31)。 注意：在DSP Builder中使用FIR Compiler時(shí)，需要有SignalCompiler的支持，所以在使用配置FIR模塊時(shí)，必須放置SignalCompiler模塊。 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 圖6-31 調(diào)用FIR Core 第第6 6章章 FIRFIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 2. 配置FIR濾波器核 假定需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通的高階FIR濾波器，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： 濾波器類(lèi)型：帶通(BandPass) 采樣頻率：50 MHz