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标题: 基于FPGA的IIR数字滤波器的快捷设计 [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2013-1-6 23:01 标题: 基于FPGA的IIR数字滤波器的快捷设计

0 引言
IIR数字滤波器在很多领域中都有着广阔的应用。与FIR数字滤波器相比，IIR数字滤波器可以用较低的阶数获得较高的选择性，而且所用存储单元少，经济效率高。一个N阶IIR数字滤波器的系统函数为：

其线性常系数差分方程为：

用FPGA实现滤波的基本思想就是基于式(2)来实现的。如果知道了系统的输入序列(滤波器的输入)，那么，只要根据所给的滤波器的指标，然后通过MATLAB仿真出系数矢量b和a，再采用递推算法求解差分方程，就能求出输出序列(滤波器的输出)。
1 滤波器的MATLAB设计
由于本文采用巴特沃斯滤波器，故需要在工具箱中调用的两个函数buttord和butter的调用格式为：

其中N为滤波器阶数;wp和ws分别为通带截止频率矢量和阻带截止频率矢量，单位为π，一般需要模拟频率指标对采样频率的一半作归一化;Rp和As分别为通带最大衰减和阻带最小衰减，单位dB;wc为3 dB边缘频率矢量;b和a即为方程(2)中的系数矢量。
获得系数6和a之后，调用函数freqz(b，a，k，Fs)即可按照下式计算k点的复频率响应矢量H：

然后便可绘出K点的幅频和相频特性曲线，以用于检查计算出的系数是否满足所需要的滤波器指标。
2 编写VHDL语言代码注意事项
乘加运算过程中的数据是有符号的二进制补码，通常在Xilinx ISE集成开发环境下建立的VHDL源文件头部都会有“use IEEE.STD_LOG-IC_UNSIGNED_ALL;”，如将其改为“use IEEE.STD_LOGIC_SIGNED.ALL;”即应该包含有符号数运算程序包，这样就能保证代码中的所有std_log-ic_vector型数据按照有符号二进制补码的规则进行运算。
由于FPGA内部不能表示浮点数，因此只能用有限精度方法来实现数据的运算，即用数据(包括方程(2)的输入输出和系数)的整数部分(截去小数部分)作近似运算，且需要std_log-ic_vector数据类型来表示数据整数部分的二进制补码形式，但这样会产生截断误差。为了减小截断误差，应该将数据扩大适当的倍数(通常是2L倍，L为正整数)，以使小数部分可以忽略不计。扩大的倍数越大，截断误差就越小，得到的数据就越精确，但是，用来表示数据整数部分的std_logic_vector型数据长度会越大，这样就会占用越多的FPGA内部资源，因此，适当的选择数据扩大倍数是个关键。此外，各种数据转换为std_logic_vector型数据的长度选取至少应足以表示二进制补码(包括符号位)。若FPGA内部资源充足，可以通过增加std_logic_vector型数据长度来减小截断误差，提高运算精度。
通常由MATLAB仿真得到的系数b都远小于1，因此要适当选择正整数L。运算时可给系数b和a(a的第一个系数除外)同乘以2L，之后取整得到B=round(b*2L)和A=round(a*2L)
当前时刻输入的x(n)有时可能太小，为减小截断误差，应该选择适当的整数M，以给x(n)乘以2M，即给表示当前时刻输入的std_logic_vec-tor变量后补上M个‘0’。这样，得到的当前时刻输出y (n)就是扩大了2L+M倍的数据，应该除以2L+M才是当前时刻的真实输出。而VHDL语言不支持除法运算，故应采用截去末尾(L+M)位的方法来近似除法运算，这种做法相当于原始输出y除以2L+M之后截去小数部分。
在用示波器观测时，滤波器的输出波形可能带有许多大幅度尖锐毛刺，从而严重影响了滤波器的性能。毛刺是由于组合电路的竞争而使电路输出发生瞬时错误的现象，通常消除毛刺的方法是在具体的电路中加个锁存器。本文采取另一优化方法，即在源代码中通过符号“<=”把输出信号赋给一个中间信号，再把中间信号作为输出，这相当于将信号作一个延时再输出。这种方法不需要知道具体的电路结构，也元需编写其它代码模块，因此优化更为简便快捷，而且优化效果非常好。
3 滤波器MATLAB设计的FPGA实现
下面以一个简单的低通滤波器设计实例来说明从MATLAB设计到FPGA实现的整个过程。该低通滤波器的系统采样频率为40 MHz，通带截止频率为1 MHz，阻带截止频率为5 MHz，通带内最大衰减为3 dB，阻带内最小衰减为40 dB，而对相位不作要求。
而其硬件平台上的主要器件有Xilinx公司的Spartan2E系列30万门FPGA芯片XC2S300E及PROM器件XC18V04，模数转换芯片则采用AD公司的AD9218，数模转换芯片选用AD公司的AD9765，另外，还有40 MHz晶振等。其系统框图如图1所示。

3.1 MATLAB设计
MATLAB设计的具体代码如下：

这样，在运行之后，便可得到：

图2是由系数B和A绘出的幅频特性曲线。

下面是递推算法的MATLAB描述：

若以输入分别为0.5 MHz、3 MHz、6 MHz的正弦波来测试滤波器输出，则可得出如图3所示的仿真结果。可见，该系数B和A可以满足低通滤波器的技术指标。

3.2 VHDL代码顶层模块

图4是该MATLAB设计的顶层模块“top_lev-el”的示意图。图中，Gclk为FPGA全局时钟输入(来自40MHz晶振)，AD9218clk和AD9765clk是由Gclk直通送往AD9218和AD9765的驱动时钟;AD9218data_out(9：0)是来自AD9218的10位滤波器输入信号，设计时可与核心模块“lpf”的输人data_in(9：0)相连;AD9765data_in(9：0)是送往AD9765的10位滤波器输出信号，可与核心模块“lpf”的输出data_out(9：0)相连。

图5给出了顶层模块的FPGA资源占用情况，由图5可见，该系统的资源占用率非常少。

3.3 VHDL代码核心模块
图6所示为用于信号处理的核心模块“lpf”。

在核心模块VHDL代码编写时应当注意语句“use IEEE.STD_LOGIC_SIGNED.ALL;”，并使用有符号数运算程序包。另外，在将设计好的整数系数B和A转换为二进制补码时，为方便起见，可使用程序包STD_LOGlC_SIGNED.vhd中的类型转换运算符CONV_STD_LOGIC_VECTOR()来接收整数和转换后的长度等两个参数，然后返回STD_LOGIC_VECTOR型。
本系统的代码结构体architecture采用行为描述方式，它类似于高级语言，其优点在于只需描述清楚输入与输出的行为，而无需花费更多的时间和精力关注设计功能的门级实现，因为这些完全可以由EDA工具综合生成，因而可大大缩短开发设计的时间。
核心模块“lpf”的VHDL语言源代码如下：
librarv IEEE;

在modelsim上对本核心模块进行仿真及代码优化时，其测试激励仍然可以分别选用0.5 MHz、3 MHz和6 MHz的正弦波。产生的方法有两种：一是采用ISE中集成的测试激励生成器HDL Bencher新建Test bench waveform型文件，并从中输入一周期正弦数据;二是将正弦数据存为文本文件，然后以TEXTIO方式读取。限于篇幅，具体操作这里不作介绍。
这种行为仿真(Simulate Behavioral Model)的波形与图3相同，可见，本模块源代码在功能上完全正确。但时序仿真(布局布线后仿真SimulatePost-Place&Route VHDL Model)的滤波器输出波形中的大幅度尖锐毛刺严重影响了滤波器的性能。消除毛刺的具体做法是将进程中的最后一条信号赋值语句改为：

经过上述赋值语句的修改，再经优化之后进行时序仿真以及后面的硬件验证，就会发现，滤波器输出中的毛刺全部被消除，波形平滑，可见优化效果非常好。

3.4 硬件平台的验证
将该设计方案在硬件平台上进行验证时，先给硬件平台加电，再将程序通过JTAG线下载到PROM中，然后给AD9218数据输入端加正弦波信号，示波器CH1和CH2探针分别搭在AD9218数据输入端和AD9765数据输出端。这样。当信号在0.7 MHz频率以下变化时，两个通道的正弦波形相同，只有相位上有一点差别;当信号从0.7～1MHz频率范围变化时。通道CH2波形幅度有微弱减小;当信号从1～5 MHz频率范围变化时，通道CH2波形迅速衰减为一条水平线。当CH1端分别加0.5 MHz、3 MHz和6 MHz的正弦波时，两通道显示的波形相同。

作者: TLP291 时间: 2013-3-5 17:15

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