FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方案

一 .濾波器介紹

濾波器是一種用來減少，消除干擾的電器部件，有對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率信號進(jìn)行有效濾除，從而實(shí)現(xiàn)消除干擾、獲取特定頻率信號的功能。數(shù)字濾波器相比模擬濾波器，有著更高的精度、信噪比、無可比擬的可靠性。

FIR，IIR是數(shù)字濾波器中最常見的兩種濾波器。FIR濾波器是有限沖擊響應(yīng)，最主要特點(diǎn)是沒有反饋回路，故不存在不穩(wěn)定的問題，很容易做到嚴(yán)格的線性相位特性，另外設(shè)計(jì)方式是線性的，硬件容易實(shí)現(xiàn)，對于抽取和插入，結(jié)構(gòu)簡單，很容易得到高速流水線的設(shè)計(jì)，有定義明確的量化噪聲，并且有較低的系數(shù)和算法四舍五入誤差預(yù)算，但是其高濾波器長度的實(shí)現(xiàn)需要大量的工作量及資源；IIR濾波器是無限沖擊響應(yīng)，最主要的特點(diǎn)是可以用較低的階數(shù)，獲得高的選擇性，所用的存儲單元少，計(jì)算量小，效率高。但是這樣的效率是以非線性相位為代價的，選擇性越好，相位非線性越嚴(yán)重。本文以FIR為例介紹數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

二.FIR濾波器設(shè)計(jì)
采用matlab的Filter Design 來完成對FIR濾波器的設(shè)計(jì)，打開matlab,在命令行輸入filterDesigner，進(jìn)入到設(shè)計(jì)頁面，如下

對濾波器的設(shè)計(jì)主要涉及三個點(diǎn)：通帶，阻帶，過渡帶。

主要的參數(shù)有以下5個：

Fpass:通帶上限截至頻率，Apass:帶內(nèi)平坦度；

Fstop:阻帶下限截至頻率，Astop:帶外抑制幅度；

Fs:數(shù)據(jù)率

輸入數(shù)據(jù)的速率為9.14MHz，通帶上限截止頻率為2M，由于考慮到鏡像干擾，阻帶截至頻率設(shè)為2.2M，階數(shù)選擇128階，濾波器階數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)置，也可以設(shè)置帶內(nèi)平坦度和帶外抑制幅度，來選擇所需最小階數(shù)，達(dá)到自己需要的精度即可。設(shè)置完成之后，如下：

濾波器設(shè)計(jì)完成之后需要對濾波器的系數(shù)進(jìn)行定點(diǎn)量化，選擇按鈕3，定義16位的數(shù)據(jù)位寬，其中15位為小數(shù)。如下：

點(diǎn)擊Filter Design菜單欄的Targets選項(xiàng)下拉菜單的Generate C Header和XILINX Coefficient(.COE) File，分別導(dǎo)出的是C的頭文件和.coe文件（濾波器系數(shù)文件），C的頭文件如下

Coe文件為：

這里選擇產(chǎn)生Generate C Header,產(chǎn)生濾波器系數(shù)，此處沒有選擇coe文件，是因?yàn)楫?dāng)vivado IP核使用coe方式導(dǎo)入時，vivado不能區(qū)分小數(shù)位。

三.vivado FIR IP核介紹
1.設(shè)置濾波器的屬性：打開vivado IP核，直接填入濾波器的系數(shù)，此處系數(shù)需要量化為小數(shù)，左邊為濾波器的增益，和matlab一致，如下：

濾波器的類型包括單速率（Single Rate，即數(shù)據(jù)輸出與輸入速率相同），抽?。―ecimation）和插值（Interpolation）應(yīng)用于多速率信號處理系統(tǒng)，此外還支持希爾伯特變換（Hilbert）模式。抽取型一般多用于數(shù)字前端下變頻抽取樣值降低AD采樣速率，插值型用于常用于提高采樣速率。由于需要對AD數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取濾波，這里選擇抽取類型，抽取的倍數(shù)為2倍。

2.設(shè)置FIR濾波器的通道，由于只使用一個通道，因此交織通道序列（Channel Sequence）選擇Basic，通道數(shù)（Number of Channels）為1；Hardware Oversampling Specification中設(shè)置過采樣模式，選擇Input Sample Period,即輸入采樣周期，也可以通過輸入采樣頻率和時鐘頻率來設(shè)置，設(shè)置如下：

3.濾波器量化設(shè)置

填入濾波器系數(shù)之后，選擇量化的位數(shù)，輸入的數(shù)據(jù)位寬為16，小數(shù)位數(shù)為15，如果全精度輸出，輸出位寬為33，對后續(xù)的處理很不方便，輸出也需要進(jìn)行相應(yīng)的截尾，因此設(shè)置為：

4.FIR濾波器在FPGA上實(shí)現(xiàn)資源選取的情況，一般采用系統(tǒng)默認(rèn)即可。

5.對外輸入和對外輸入接口情況，這里只添加復(fù)位信號，可以根據(jù)自己的實(shí)際需求，添加信號。

6.Summary是對FIR濾波器設(shè)計(jì)的總結(jié)，所使用的類型功能，濾波器階數(shù)等，最后點(diǎn)擊生成FIR IP核。

四．FIR 濾波器實(shí)現(xiàn)
1.C模型使用
Vivado提供了FIR IP核的C仿真模型，但是不能直接再matlab上運(yùn)行，需要搭建仿真環(huán)境，根據(jù)自己使用的matlab選擇不同的版本，具體搭建參考https://www.cnblogs.com/qiantuo1234/p/7284384.html 。搭建完成之后在matlab命令窗口輸入mex-setup,出現(xiàn)以下提示表示安裝成功

然后找到IP核C模型,在vivado工程FIR IP核的目錄下的cmodel的文件夾，F(xiàn)IR_demo.srcs/sources_1/ip/fir_compiler_0/cmodel，其中有兩個文件，lin64是linux版本的，nt64是windows版本的，選擇nt64解壓。

matlab打開解壓的文件夾，輸入run make_fir_compiler_v7_2_mex,出現(xiàn)以下表示運(yùn)行成功。

最后要調(diào)用的文件是run_fir_compiler_v7_2_mex.m，這個文件可以作為參考使用，部分內(nèi)容為：

作如下修改：

其中FIR參數(shù)設(shè)置要和vivado中的IP核配置完全相同，否則會出現(xiàn)比對數(shù)據(jù)不一致的情況，具體參數(shù)配置見下表

各類型對應(yīng)的數(shù)值選擇

2.Modelsim 仿真
仿真時需要注意，采用的抽取類型，數(shù)據(jù)速率和時鐘速率不一樣，每隔8個時鐘周期采一個數(shù)據(jù)，然后輸入到FIR IP核，輸出是每隔16個時鐘周期輸出一個數(shù)據(jù)，輸出延遲可在FIR IP核Summary界面得知，模塊時序如下：

3.數(shù)據(jù)對比
濾波器的截至頻率為2MHz，用matlab產(chǎn)生一個1MHz和3MHz的混合信號，分別輸入C仿真模型和modelsim進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果進(jìn)行對比如下：

可以清楚的看到輸出的結(jié)果是一致的，通過比較matlab和modelsim輸出的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)也是一致的，相減之后為零，驗(yàn)證了濾波器的正確性。