基于FPGA的FIR滤波器设计.docx

基于FPGA的FIR滤波器设计周剑敏+谢文雷+葛斌+陈虞苏摘要介绍了基于FPGA芯片进行FIR滤波器的设计过程，具体涉及到MATLAB对FIR滤波器的仿真、数据的量化和生成；FPGA对FIR滤波器的设计、仿真和数据生成，最后形成FPGA和MATLAB联合设计FIR滤波器。关键词FGPA；FIR；MATLAB中图分类号：TN911文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）03-0034-01滤波器在信息领域应用非常广泛。随着现代技术的发展，如何在FPGA上进行滤波器设计是非常迫切的。FPGA是通过硬件描述语言进行程序设计的，要把基于数学基础的滤波器在FPGA上设计出来还是有一定难度的。而用MATLAB进行滤波器设计又显的非常简单。因此需要把MATLAB和FPGA技术结合起来，进行滤波器设计，这样就能事半功倍。本文将以一个简单的FIR滤波器为例，用MATLAB和FPGA进行联合设计滤波器。1基本流程一般采用MATLAB和FPGA联合设计有多种方法。一种是由MATLAB软件设计出滤波器系统，并在MATLAB中利用工具直接转换成VHDL代码；一种是由MATLBA软件设计出FIR关键系数和测试文件，然后在FPGA中使用系数设计滤波器，使用测试文件形成测试结果，最后再由MATLAB把测试结果验证，证明FPGA设计滤波器的正确性。第一种方法在滤波器系统较为复杂的时候，很难满足设计要求，调试时反而显得复杂。本文采用第二种方法进行滤波器的联合设计。2MATLAB的FIR系数和测试文件生成在设计时，使用MATLAB产生滤波器系数和测试文件。MATLAB里有各种专门的FIR滤波器系数生成函数，如B=fir1（N，Wn，'high'）函数。B：表示返回的FIR滤波器的单位脉冲响应，长度为N+1。N：表示滤波器的阶数。Wn：表示滤波器的截至频率。High：表示是高通滤波器。用户只要按滤波器设计要求，获取B系数就能得到浮点数表示的FIR滤波器系数。滤波器系数生成后，需要有测试文件测试滤波器的特性。用户可以根据滤波器的特性，利用MATLAB自动生成测试文件。如利用MATLAB程序：sin_t=0：1/fs：0.1；sin_c1=2*pi*f_1*sin_t；sin_c2=2*pi*f_2*sin_t；sj=1/3*sin（sin_c1）+sin（sin_c2）；自动就生产了含有2个频率成份的浮点数表示的sj信号。若仅仅是检测MATLAB设计的FIR滤波器是否正确，可以把sj输入到FIR滤波器中，观察滤波器输出就可以判断。目前是要在FPGA中设计并验证滤波器。所以需要把MATLAB生成的滤波器系数和测试文件量化成符合FPGA需要的二进制表示的整数。使用MATLAB，对sj信号进行12位量化过程如下：bin_long=12；sj_quan_12=round（sj/max（sj））*（2^（bin_long-1）-1））；量化完成后，还需要把参数写成文件，等待FPGA的调用。MATLAB中把测试文件写成文件如下：fidout=fopen（'result.txt'，'w'）；%openresultfileandwaitforwritefori=1：length（sj_quan_12）forj=1：bin_longfprintf（fidout，'%s'，sj_quan_12（i，j））；ifmod（j，bin_long）==0fprintf（fidout，'＼r＼n'）；endendendfclose（fidout）；3FPGA程序设计本文利用XILINX公司的FPGA芯片XC6SLX45作为硬件载体，使用VHDL语言进行FIR程序编写。具体元件说明如下：COMPONENTfir_bookPORT（rst：INstd_logic；--复位信号输入clk：INstd_logic；--时钟输入xin：INstd_logic_vector（11downto0）；--测试文件/实际信号输入yout：OUTstd_logic_vector（28downto0）—FIR滤波输出）；ENDCOMPONENT；xin为FIR滤波器的输入端，同时也是仿真时，MATLAB生成的测试文件输入端。yin是xin经过FPGA内部设计的FIR滤波器滤波后的输出信号。在FPGA中输入MATLAB的测试文件的程序如下：fileinvect：textis"e：＼＼matlab_study＼result.txt"；ifnot（endfile（invect））thenreadline（invect，vline）；read（vline，v）；xin<=v；endif；在FPGA中输出仿真给MATLAB测试的程序如下：fileoutvect：textopenwrite_modeis"e：＼＼ma