隨著軟件無線電的發(fā)展。對于濾波器的處理速度要求越來越高。傳統(tǒng)的FIR濾波器一般采用通用DSP處理器，但是DSP處理器采用的是串行運(yùn)算，而FPGA是現(xiàn)場可編程陣列，可以實(shí)現(xiàn)專用集成電路，另外還可以采用純并行結(jié)構(gòu)及考慮流水線結(jié)構(gòu)，因此在處理速度上可以明顯高于DSP處理器。本文采用并行分布式算法在FPGA上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高速處理的32階FIR低通濾波器，在此過程中利用Matlab的數(shù)值計(jì)算與分析功能來提高設(shè)計(jì)效率。
1 FlR低通濾波器的窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)
理想的濾波器頻率響應(yīng)中傅里葉反變換ha(n)一定是無限長的序列，而且是非因果的，而實(shí)際要設(shè)計(jì)的濾波器h(n)是有限長的，因此要用有限長來逼近無限長的，其方法就是用一個(gè)有限長度的窗口函數(shù)序列ω(n)來截取，即：
常見的窗函數(shù)有矩形窗、巴特利特窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗、凱澤窗。其中，凱澤窗提供了可變的過渡帶寬。本文采用凱澤窗對FIR濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其窗函數(shù)表達(dá)式為：
I0[·]為第一類變形零階貝賽爾函數(shù)，形狀參數(shù)β為依賴于濾波器階數(shù)M的參數(shù)，用來調(diào)整主瓣寬度與旁瓣衰減，選擇M可產(chǎn)生各種過渡帶寬和接近最優(yōu)的阻帶衰減。給定通帶截止頻率ωp，阻帶起始頻率ωs，阻帶衰減As,凱澤窗設(shè)計(jì)中有經(jīng)典公式可供使用，如下：
過渡帶寬：
濾波器階數(shù)：
形狀參數(shù)：
假設(shè)低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：
采用上面介紹的凱澤窗，利用Matlab編程計(jì)算得到32階FIR低通濾波器參數(shù)如下：
32階FIR低通濾波器幅頻特性圖如圖1所示。
上述求得的系數(shù)是浮點(diǎn)型的，而在FPGA設(shè)計(jì)中使用的數(shù)據(jù)是定點(diǎn)型的，所以在設(shè)計(jì)濾波器之前要將系數(shù)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)型，即系數(shù)的量化。在本文中采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)中的Q值法對系數(shù)進(jìn)行量化。為了兼顧精度和所占用的資源，本文的系數(shù)用12位二進(jìn)制來量化，得到的整數(shù)系數(shù)結(jié)果如下：
2 并行分布式算法原理及FPGA設(shè)計(jì)
32階FIR濾波器的差分方程表達(dá)式為：
式中：x(n)為輸入；y(n)為輸出；h(n)為濾波器系數(shù)。
設(shè)x(n)用二進(jìn)制可表示為：
其中，最高位為符號位。則式(7)可寫為：
式(10)為并行分布式算法，由上可以看出并行分布式算法是將濾波器表達(dá)式重新排列，分別加權(quán)求和。與傳統(tǒng)算法最大的不同之處是在FPGA設(shè)計(jì)過程中以查找表代替乘法器，即根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的不同，將對應(yīng)的濾波器系數(shù)預(yù)先求和保存在ROM中，也就是將每一項(xiàng)的乘法求和通過并行結(jié)構(gòu)查表尋值完成，提高運(yùn)行速度。
具體FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先將12位的輸人數(shù)據(jù)并行輸入到12列32位移位寄存器分別寄存，然后以寄存器中的值為地址，對應(yīng)于查找表的結(jié)果，按照式(10)，每列進(jìn)行相應(yīng)二次冪加權(quán)，最后各列累加，在第32個(gè)數(shù)據(jù)完全輸入之后得到正確的濾波器輸出。由于輸入數(shù)據(jù)的延遲，在此之前濾波器輸出會延遲或者產(chǎn)生不正確的結(jié)果，可以在實(shí)現(xiàn)過程中加入控制信號進(jìn)行輸出控制。由于查找表的規(guī)模是隨著地址的增加呈指數(shù)增加的，可以將32位的查找表劃分為四個(gè)8位的查找表，從而降低對ROM的需求。
在本設(shè)計(jì)中可采用多級流水線技術(shù)，也就是將在明顯制約系統(tǒng)速度的長路徑上插入幾級寄存器，雖然流水線會影響器件資源的使用量，但它降低了寄存器間的傳播時(shí)延，允許維持高的系統(tǒng)時(shí)鐘速率。
3 FPGA仿真與驗(yàn)證
由于直接將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件仿真驗(yàn)證很不方便，因此利用Matlab產(chǎn)生一個(gè)采樣頻率為100 MHz，頻率分別為1 MHz與30 MHz的兩個(gè)正弦信號相加后，作為輸入信號。同樣，浮點(diǎn)變?yōu)槎c(diǎn),將此信號進(jìn)行12位量化，并將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為補(bǔ)碼形式，按照一定格式保存為．vec文件，導(dǎo)入到QuartusⅡ中進(jìn)行仿真，時(shí)序功能仿真結(jié)果如圖2所示。
其中，clk為時(shí)鐘信號，x_in為濾波器輸入信號，y為濾波器輸出信號。圖2并不能很直觀地看出并行分布式算法產(chǎn)生的濾波效果，可以將QuartusⅡ中．vwf文件轉(zhuǎn)化為．tbl文件，在Matlab中按照一定形式編程可以得到時(shí)域及頻域波形圖，如圖3，圖4所示。
圖3，圖4中，軟件仿真是直接在Matlab中用輸入信號與濾波系數(shù)卷積得到的，在時(shí)域波形中軟件仿真輸出信號與理想信號相比有一定時(shí)間延遲，而QuartusⅡ仿真與軟件仿真結(jié)果中幅度的差別是由于硬件輸入量化產(chǎn)生的。
從時(shí)域或者頻域波形圖可以看出，頻率為30 MHz的信號被濾除掉，只有頻率為1 MHz的信號通過濾波器，達(dá)到了濾波的目的。
4 結(jié) 語
本設(shè)計(jì)選用Stratix系列芯片，最大處理速度可以達(dá)到200 MHz以上。本文沒有考慮線性相位的濾波器對稱性，在考慮線性相位的基礎(chǔ)之上結(jié)合一些其他算法可以降低器件數(shù)量和進(jìn)一步提高處理速度。由于FPGA器件的可編程特性，在本設(shè)計(jì)中可以修改濾波器參數(shù)，得到高速處理的高通或者帶通數(shù)字濾波器，具有一定實(shí)用價(jià)值。另外，本文利用QuartusⅡ與Matlab聯(lián)合仿真，極大地提高了FPGA的設(shè)計(jì)效率。