基于FPGA的可調(diào)FIR濾波器在實際通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法設計

基于FPGA的可調(diào)FIR濾波器在實際通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法設計基于靈活自適應的空口波形技術FOFDM（FilteredOFDM）是現(xiàn)代通信技術的研究熱點，設計并實現(xiàn)可調(diào)FIR濾波器是實現(xiàn)該技術的核心工作之一。本文設計的基于FPGA的可調(diào)節(jié)FIR濾波器系數(shù)的自適應調(diào)整是通過控制算法對信道中的信號進行快速檢測，然后將結果和濾波器的輸出結果進行差值計算進行反饋調(diào)節(jié)。利用QuartusII和DSPBuilder設計基于FPGA的16階系數(shù)可調(diào)FIR濾波器，給出核心模塊的設計電路圖和仿真結果。仿真結果表明：基于靈活自適應空口波形技術可以在FPGA上實現(xiàn)，而且由于FPGA具有天然的并行性，實際的通信系統(tǒng)中可以采用并發(fā)模式進行，達到提高信號傳送速率的目的。0引言4G移動通信方興未艾，業(yè)界對于5G移動通信技術的討論已經(jīng)如火如荼。作為移動通信領域“皇冠”上的一顆明珠，基于靈活自適應的空口波形技術和成倍提升頻譜效率的多址技術SCMA（SparseCodeMultipleAccess）成為業(yè)內(nèi)人士關注的焦點，其中，優(yōu)化頻帶資源的利用率是FOFDM的核心。人們在研究算法優(yōu)化的同時，也在關注算法的硬件實現(xiàn)。FPGA（FieldProgrammableGateArray）在能耗、成本、運算速度等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應用于各種數(shù)字信號處理和數(shù)字通信領域。本文重點研究FOFDM核心技術之一的可調(diào)FIR濾波器，設計并實現(xiàn)基于FPGA的可調(diào)節(jié)FIR濾波器。近年來，基于FPGA的數(shù)字濾波器研究已經(jīng)取得了很多成果。然而，從現(xiàn)有的文獻來看，并沒有可供參考的用于基于自適應的空口波形技術的方法。本文第1節(jié)為核心模塊設計，第2節(jié)為MATLAB仿真結果和系統(tǒng)仿真結果，第3節(jié)給出了基本結論和下一步研究目標。1基于FPGA的可調(diào)FIR濾波器設計該設計總體思路是：利用輸入波形的各項參數(shù)，借助MATLAB中的FDAtool工具計算出FIR濾波器所需參數(shù)，存入RAM。濾波器核心模塊讀取參數(shù)信息，調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率等參數(shù)，調(diào)節(jié)該模塊的功能。利用DSP_Builder開發(fā)核心濾波器模塊的流程示意圖如圖1所示。最基本的FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：可以用卷積表示為：y（n）=x（n）*h（n）（2）例如，一個典型的直接型4階FIR濾波器，其表達式［11］可寫為式（3）：h（n）=h（0）x（n）+h（1）x（n-1）+h（2）x（n-2）+h（3）x（n-3）（3）在圖2中，總共存在3個延時單元、4個乘法器和一個4輸入的加法器。如果使用普通的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)這個4階FIR濾波器，只能用串行的方式順序地執(zhí)行延時、乘、加操作。這必須用到多個指令周期，而無法在一個指令周期內(nèi)完成。但是如果采用FPGA來實現(xiàn)，就可以利用FPGA指令可以并行的優(yōu)點，在一個指令周期內(nèi)得到結果。根據(jù)公式（3）和圖2，可以在Simulink中用DSP_Builder里的相關器件畫出一個圖3所示的4階FIR濾波器模型。圖3中“Delay”為延時單元，“Product”為乘法器單元，“ParallelAdderSubtractor”為加法器單元，“Input”與“Output”分別為輸入輸出。（1）設計4階FIR濾波器子系統(tǒng)新建一個文件，將子系統(tǒng)模塊（Subsystem）放入文件中，雙擊打開子系統(tǒng)模塊，將上面已經(jīng)設計好的4階FIR濾波器放進去，并對端口進行修改。修改后的Subsystem模塊有5個輸入和2個輸出，“input”與“output”都修改為“Altbus”（因為它們不再作為主輸入端口，而是作為子系統(tǒng)的傳輸端口）。（2）設計16階FIR濾波器4階子系統(tǒng)完成后，按照圖4搭建一個16階的FIR濾波器。其中Constant模塊的初始值為5，需要另外計算，下文講解如何計算Constant值。（3）計算Constant的值Constant的值就相當于h（n），是決定FIR濾波器具體性能的重要參數(shù)，該值為濾波器要調(diào)節(jié)的核心參數(shù)，它是通過濾波器的輸出和輸入信號的差值得到的。（4）導出參數(shù)點擊左上角的File，單擊Export，跳出Export界面，點擊下方的Export按鈕，可以將16個參數(shù)導出到MATLAB的主窗口。（5）將參數(shù)填入FIR濾波器的模型中在MATLAB仿真階段，該參數(shù)可以手動輸入到FIR濾波器Constant模塊中，這樣便完成了一個16階低通FIR濾波器的設計。在系統(tǒng)設計階段，步驟（4）計算結果會暫存在定制的RAM模塊中。2設計驗證2.1核心模塊仿真為了驗證設計的16階FIR濾波器正確與否，需要進行仿真。為此，給濾波器的輸入端加上一個混合信號，混合信號包含一個40Hz的高頻信號和一個0.013Hz的低頻信號，兩個信號由Add模塊相疊加，再分別加上示波器模塊“Scope”來顯示波形結果。FDAtool設置就和上文所述相同，并將所得數(shù)據(jù)填入Constant模塊中，仿真時間設為500s。圖5的上方為40Hz的波形，下方為0.013Hz的波形。圖6的上方為輸入的混合信號波形，下方為濾波器輸出波形。將兩幅圖比較可以明顯看出，高頻信號40Hz的波形被濾除，濾波器輸出的是低頻的0.013Hz的信號。2.2系統(tǒng)仿真（1）將將mdl文件編譯生成VHDL語言；（2）計算輸入信號和濾波器輸出的差值，將該值存入RAM；（3）讀入RAM數(shù)據(jù)，逐漸確定濾波器截止頻率；（4）仿真。為了驗證所設計的可調(diào)FIR濾波器的正確性，設計了基于上述模塊的低通濾波器進行波形的仿真。兩個正弦波疊加形成輸入信號，一個25kHz信號人為標記為噪聲信號，另一個4kHz作為目標信號，程序調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率到4.5kHz。仿真結果如圖7所示。由圖中可知，該濾波器濾除了高于截止頻率的信號部分，保留了低于截止頻率的信號部分，因此濾波器功能正確。調(diào)節(jié)輸入信號和截止頻率后，結果也能達到如圖7所示的效果。3結論本文FPGA設計了一種可調(diào)F