0.引言 

FIR（Finite Impulse Response，有限沖擊響應(yīng)）數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、可以實現(xiàn)線性相位等優(yōu)點，廣泛被應(yīng)用于信號檢測與處理等領(lǐng)域[1,2]。由于FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）基于查找表的結(jié)構(gòu)和全硬件并行執(zhí)行的特性，如何用FPGA 來實現(xiàn)高速FIR 數(shù)字濾波器成了近年來數(shù)字信號處理領(lǐng)域研究的熱點。目前，全球兩大PLD 器件供應(yīng)商都提供了加速FPGA 開發(fā)的IP（IntelligentProperty，知識產(chǎn)權(quán)）核[3]。本文在Altera 公司的FIR 數(shù)字濾波器IP 核的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于分布式算法的FIR數(shù)字低通濾波器。

1.基于DSP Builder的設(shè)計流程

圖1 是基于DSP Builder 開發(fā)DSP 系統(tǒng)的設(shè)計流程[4,5]。首先調(diào)用DSP Builder 工具包中的元件構(gòu)建電路模型。電路模型建立以后再進行系統(tǒng)級的仿真。仿真通過以后運行SignalCompiler 將模型文件轉(zhuǎn)化成RTL 級的VHDL 代碼。轉(zhuǎn)化成功以后，再調(diào)用VHDL 綜合器進行綜合生成底層網(wǎng)表文件。然后調(diào)用QuartusII 進行編譯，QuartusII 根據(jù)網(wǎng)表文件及設(shè)置的優(yōu)化約束條件進行布線布局和優(yōu)化設(shè)計的適配，最后生成編程文件和仿真文件。生成的POF/SOF FPGA 配置文件用于對目標(biāo)器件的編程配置和硬件實現(xiàn)。仿真文件主要是用于QuartusII 的門級仿真文件和用于ModelSim 的時序仿真文件和VHDL 仿真激勵文件，用于實時測試DSP系統(tǒng)的工作性能。

圖1 基于DSP Builder 的設(shè)計方法

2.建模與仿真

在DSP Builder 中調(diào)用FIR 數(shù)字濾波器IP 核，設(shè)置參數(shù)：濾波器類型：低通濾波器；截止頻率：5E2Hz，采樣頻率：1E4Hz；濾波器階數(shù)：16；窗函數(shù)類型：漢寧窗。濾波器系數(shù)如表1 所示：

表1 濾波器系數(shù)

調(diào)用FIR 濾波器IP 核以及DSP Builder 中的相關(guān)元件，構(gòu)建了FIR低通濾波器的仿真模型，如圖2 所示。如圖2 所示，輸入信號頻率為200Hz、1000Hz、2000Hz 正弦波和寬帶白噪聲疊加而成的信號。

圖2 FIR濾波器仿真模型

圖3 Simulink 仿真波形圖

仿真以后，此信號經(jīng)過截止頻率為500Hz 的低通濾波器濾波以后，1000Hz 和2000Hz 的高頻正弦波均被較好的濾除了。濾波前后的時域波形圖如圖3 所示。圖4 是濾波前后信號的頻譜圖?？梢钥闯觯?6階的濾波器濾波性能符合要求。

圖4 濾波前后頻譜圖

3.結(jié)果分析

圖5 FIR低通濾波器RTL仿真波形

仿真通過以后，再運行Signal Compiler 將此模型轉(zhuǎn)換成RTL 寄存器傳輸級的VHDL 硬件描述語言。再用Modelsim 軟件進行寄存器傳輸級仿真。仿真結(jié)果如圖5 所示。

可以看出，經(jīng)過對轉(zhuǎn)換后的VHDL 語言進行時序仿真，濾波效果良好，進一步驗證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用QuartusII 軟件進行邏輯綜合與適配，最終在Cyclone II 系列EP2C35F672C8 芯片上獲得了最高響應(yīng)速度為151.88MHz 的高速FIR 低通濾波器。資源使用情況：邏輯單元1347 /33216（4%），全部組合邏輯872/33216（3%），專業(yè)邏輯寄存器1231/33216（4%），引腳29 /475（6%），總存儲位41160/483840（9%）。

4.結(jié)論

FIR 濾波器的設(shè)計與FPGA 高速實現(xiàn)一直是信號處理領(lǐng)域研究的熱點，本文利用FIR 有限沖擊響應(yīng)濾波器IP 核，設(shè)計了截止頻率為500Hz 的FIR 低通濾波器，在Simulink 中建立了仿真模型并進行了仿真。最終在EP2C35F672C8 型號FPGA 上得到了最高響應(yīng)頻率為151.88MHz 的高速FIR 低通濾波器。設(shè)計效率和濾波器性能得到了極大的提高。