基於FDATool的FIR濾波器設計方法(一)

2021-01-10 電子產品世界

　　FIR 濾波器廣泛應用於數位訊號處理中，主要功能就是將不感興趣的信號濾除，留下有用信號。FIR濾波器是全零點結構，系統永遠穩定;並且具有線性相位的特徵，在有效頻率範圍內所有信號相位上不失真。在無線通信收發機中的DDC/DUC模塊，抽取和內插都需要加入濾波器以防止信號在頻譜上混疊，最典型的是採用 FIR濾波器實現半帶濾波器。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/249651.htm

　　FIR濾波處理如下式所示，其中x(n)為輸入信號，h(n)為FIR濾波係數，y(n)為經過濾波後的信號;N表示FIR濾波器的抽頭數，濾波器階數為N-1。

　　

 

　　由上式可得到FIR濾波器在FPGA中的實現結構，如圖1所示，主要由延遲單元Z-1、乘法器和累加器組成。此結構為直接型FIR濾波器結構，也稱橫向結構(transverse)。

　　

 

　　圖1

　　設計FIR濾波器的方法有多種，其中Matlab軟體提供了很多關於濾波器設計的工具箱，FDATool就是一個很好的工具，如圖2所示就是FDATool的界面，可以在Matlab的Command窗口中直接輸入FDATool命令來調用。

　　

 

　　圖2

　　濾波器的設計首先需要設置的參數：

　　(1) Response Type：選擇FIR濾波器的類型：低通、高通、帶通和帶阻等。如圖3所示為Lowpass中的下拉選項，在DDC/DUC模塊設計中，抽取和內插需要使用Halfband Lowpass類型，而channel filter需要使用Raised-cosine類型。

　　

 

　　圖3

　　(2) Design Method：FIR濾波器設計方法有多種，如圖4所示，最常用的是窗函數設計法(Window)、等波紋設計法(Equiripple)和最小二乘法 (Least-Squares)等。其中窗函數設計法在學校課堂中是重點講解的，提到FIR濾波器肯定會想到hamming、kaiser窗，但是實際應用中卻很少使用，因為如果採用窗函數設計法，達到所期望的頻率響應，與其它方法相比往往階數會更多;而且窗函數設計法一般只參照通頻帶wp、抑制頻帶ws 和理想增益來設計濾波器，但是實際應用中通頻帶和抑制帶的波紋也是需要考慮的，那在這種情況下，採用等波紋設計法就非常適用了。

　　

 

　　圖4

　　(3) Filter Order：設置濾波器的階數，這個選項直接影響濾波器的性能，階數越高，性能越好，但是相應在FPGA實現耗用的資源需要增多。在這個設置中提供2個選項：Specify order和Minimum order，Specify order是工程師自己確定濾波器的階數，Minimum order是讓工具自動確定達到期望的頻率相應所需要的最小階數，因此具體選擇哪個選項得視實際情況而定了。

　　

 

　　圖5

　　(4) Frequency Specification：設置頻率響應的參數，包括採樣頻率Fs、通帶頻率Fpass和阻帶頻率Fstop。

　　

 

　　圖6

　　參數設置完成後，FDATool就會分析並且生成濾波係數，如圖7所示，可以得到濾波器的頻率相應曲線，並且可以通過File-》Export導出濾波係數，如圖8所示。

　　

 

　　圖7

　　

 

　　圖8

　　為了快速驗證FIR濾波器的FPGA實現，使用Xilinx的System Generator工具，如圖9所示為FIR濾波器的驗證模型，其中通過Gateway In和Gateway out模塊分隔matlab simulink模塊和Xilinx FPGA模塊，matlab simulink模塊用於產生測試源，接收並顯示濾波後波形。還有System Generator Token用於生成Xilinx FPGA模塊的HDL代碼。

　　

 

　　圖9

　　其中FIR Compiler 5.0模塊的參數設置如圖10所示，濾波係數直接調用FDATool生成的濾波係數equ_coe，輸出為全精度數據。

　　

 

　　圖10

　　得到輸出結果如圖11所示，上邊圖為輸入原波形，由兩個頻率分量的正弦波疊加而成，頻率分別為2MHz和100MHz，經過FIR濾波之後，100MHz頻率分量被濾除。

　　

 

　　圖11

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