MATLAB/ FPGA/ DSP Builder在《数字信号处理》课程教学中的应用

摘要：以FIR滤波器设计为例，说明了MATLAB/ FPGA/ DSP Builder在《数字信号处理》课程教学中的应用。实践表明，MATLAB的引入使课程变得生动而富有吸引力；FPGA的引入为学生提供了实践创新平台，激发了学生的创新意识，提高了学生的工程能力；DSP Builder的引入使得一个复杂电子系统设计变得容易而且直观，提高了学生的学习效率。

关键词：MATLAB；FPGA；DSP Builder；数字信号处理；课程

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：16727800（2013）004019703

基金项目：常州工学院精品课程建设项目（J110704）；常州工学院教育教学研究项目（J110917）

0引言

《数字信号处理》课程是高等学校电类专业的一门重要的专业基础课。如何引导学生理解数字信号处理的基本概念和理论，并在实际工程中加以灵活运用成为教学中的关键。学生普遍感到数字信号处理的概念抽象，不能很好地理解与掌握基本理论及其分析方法。如今将MATLAB/FPGA和DSP Builder引入到《数字信号处理》课程的教学当中，使学生将学习的重点放到对课程基本概念、基本原理的理解和运用上，更加注重实践教学，激发学生的创新意识，提高学生的工程能力，从而提高教学质量。

2.3DSP Builder实现FIR低通滤波器

在MATLAB的Simulink环境中建立一个MDL模型文件，调用Altera DSP Builder工具箱中的Delay模块和Product模块以及Parallel Adder Subtractor模块，根据滤波器原理设计4阶FIR滤波器子系统，如图3所示。复制4个4阶FIR滤波器子系统并将它们连接起来，完成模型设计以后，就可以在Simulink中对模型进行仿真，可以通过示波器模块查看各个步骤的结果。输入信号采用500Hz和2 000Hz两个正弦信号的叠加，仿真结果如图4所示。从仿真波形可以看出，经过滤波器之后，频率高的2 000Hz的信号被很好地滤除了，达到了滤波效果，说明设计的滤波器满足技术指标。

双击Signal Compiler将设计好的模块图文件转换成VHDL语言。在Quartus II环境中，打开DSP Builder建立的Quartus II项目文件，进行仿真，然后指定器件进行引脚锁定，并进行编译，最后下载到FPGA器件中对硬件进行测试。

把以上方法分别表述成方法①、方法②和方法③，从三种方法可以看出，方法①用MATLAB实现比较简单，但MATLAB是软件实现方法，不能用于硬件实现；方法②用硬件描述语言实现，用到了MATLAB中的FDATOOL工具来获得滤波器系数，两者是相互联系的，用硬件描述语言来设计，最后把程序下载到FPGA芯片用于硬件实现，但前提是学生掌握了硬件描述语言；方法③以DSP Builder实现时用到了MATALB，它是作为MATALB的一个Simulink工具箱出现的，只要简单地进行DSP Builder工具箱的模块调用就可以实现系统设计，甚至不需要十分了解FPGA本身和硬件描述语言，因为硬件描述语言可以通过Matlab和Quartus II的接口模块Signal Compiler转化得到，由此可见这三种方法是相互联系在一起的，各有各的优点。

3结语

本文以FIR滤波器为例，说明了MATLAB/FPGA/ DSP Builder在数字信号处理课程教学中的应用，这三者之间是相互联系的，各有各的特点。 MATLAB以图形的方式帮助学生理解与掌握课程中的概念、原理和分析方法， 使课程变得生动而富有吸引力。《数字信号处理》是一门理论与实际紧密结合的课程，把FPGA引入到数字信号处理的教学中，为学生提供了实践创新平台，有利于激发学生的创新意识，提高学生的工程能力，也使得学科之间相互渗透，提高了学生学习的积极性。DSP Builder是Simulink中的一个工具箱，用FPGA设计DSP系统只要简单地进行DSP Builder工具箱的模块调用，从而使得一个复杂的电子系统设计变得相当容易而且直观，提高了学生的学习效率。教学中把学生分成3组，分别用这三种方法来实现，设计完成后3组同学进行交流，对三种实现方法进行比较分析，教学实践表明：学生在交流中更容易掌握数理信号处理理论和实现方法，从而得出结论，只需要仿真设计时用方法①比较简单，用于实时处理时要用后两种方法，掌握了硬件表述语言可以直接用方法②、方法③。DSP Builder是一个系统级（或算法级）设计工具，它构架在多个软件工具之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度地发挥了两种工具的优势。

参考文献：

＼[1＼]蒋小燕.MATLAB在《数字信号处理》课程教学中的应用＼[J＼].常州工学院学报，2009（4）.

＼[2＼]薛年喜.MATLAB在数字信号处理中的应用＼[M＼].第2版.北京：清华大学出版社，2008.

＼[3＼]UWEMEYERBAESE.Digital signal processing with field programmable gate arrays＼[M＼].2nd ed.北京：清华大学出版社，2006.