基于FPGA的FIR滤波器设计

摘 要 介绍了基于FPGA芯片进行FIR滤波器的设计过程，具体涉及到MATLAB对FIR滤波器的仿真、数据的量化和生成；FPGA对FIR滤波器的设计、仿真和数据生成，最后形成FPGA和MATLAB联合设计FIR滤波器。

关键词 FGPA；FIR；MATLAB

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0034-01

滤波器在信息领域应用非常广泛。随着现代技术的发展，如何在FPGA上进行滤波器设计是非常迫切的。FPGA是通过硬件描述语言进行程序设计的，要把基于数学基础的滤波器在FPGA上设计出来还是有一定难度的。而用MATLAB进行滤波器设计又显的非常简单。因此需要把MATLAB和FPGA技术结合起来，进行滤波器设计，这样就能事半功倍。本文将以一个简单的FIR滤波器为例，用MATLAB和FPGA进行联合设计滤波器。

1 基本流程

一般采用MATLAB和FPGA联合设计有多种方法。一种是由MATLAB软件设计出滤波器系统，并在MATLAB中利用工具直接转换成VHDL代码；一种是由MATLBA软件设计出FIR关键系数和测试文件，然后在FPGA中使用系数设计滤波器，使用测试文件形成测试结果，最后再由MATLAB把测试结果验证，证明FPGA设计滤波器的正确性。第一种方法在滤波器系统较为复杂的时候，很难满足设计要求，调试时反而显得复杂。本文采用第二种方法进行滤波器的联合设计。

2 MATLAB的FIR系数和测试文件生成

在设计时，使用MATLAB产生滤波器系数和测试文件。MATLAB里有各种专门的FIR滤波器系数生成函数，如B=fir1（N，Wn，'high'）函数。

B：表示返回的FIR滤波器的单位脉冲响应，长度为N+1。

N：表示滤波器的阶数。

Wn：表示滤波器的截至频率。

High：表示是高通滤波器。

用户只要按滤波器设计要求，获取B系数就能得到浮点数表示的FIR滤波器系数。

滤波器系数生成后，需要有测试文件测试滤波器的特性。用户可以根据滤波器的特性，利用MATLAB自动生成测试文件。如利用MATLAB程序：

sin_t = 0：1/fs：0.1；

sin_c1 = 2 * pi * f_1 * sin_t；

sin_c2 = 2 * pi * f_2 * sin_t；

sj = 1/3*sin（sin_c1） + sin（sin_c2）；

自动就生产了含有2个频率成份的浮点数表示的sj信号。

若仅仅是检测MATLAB设计的FIR滤波器是否正确，可以把sj输入到FIR滤波器中，观察滤波器输出就可以判断。目前是要在FPGA中设计并验证滤波器。所以需要把MATLAB生成的滤波器系数和测试文件量化成符合FPGA需要的二进制表示的整数。

使用MATLAB，对sj信号进行12位量化过程如下：

bin_long = 12；

sj_quan_12 = round（sj /max（sj））*（2^（bin_long-1）-1））；

量化完成后，还需要把参数写成文件，等待FPGA的调用。MATLAB中把测试文件写成文件如下：

fidout=fopen（'result.txt'，'w'）； %open result file and wait for write

for i=1：length（sj_quan_12）

for j=1：bin_long

fprintf（fidout，'%s'，sj_quan_12（i，j））；

if mod（j，bin_long）==0

fprintf（fidout，'＼r＼n'）；

end

end

end

fclose（fidout）；

3 FPGA程序设计

本文利用XILINX公司的FPGA芯片XC6SLX45作为硬件载体，使用VHDL语言进行FIR程序编写。具体元件说明如下：

COMPONENT fir_book

PORT（

rst ： IN std_logic；--复位信号输入

clk ： IN std_logic；--时钟输入

xin ： IN std_logic_vector（11 downto 0）；--测试文件/实际信号输入

yout ： OUT std_logic_vector（28 downto 0）―FIR滤波输出

）；

END COMPONENT；

xin为FIR滤波器的输入端，同时也是仿真时，MATLAB生成的测试文件输入端。yin是xin经过FPGA内部设计的FIR滤波器滤波后的输出信号。

在FPGA中输入MATLAB的测试文件的程序如下：

file invect：text is "e：＼＼matlab_study ＼result.txt"；

if not（endfile（invect）） then

readline（invect，vline）；

read（vline，v）；

xin

end if；

在FPGA中输出仿真给MATLAB测试的程序如下：

file outvect：text open write_mode is "e：＼＼matlab_study ＼result_out.txt"；

write（lineout，viout，right，10）；

writeline（outvect，lineout）；

4 结论

在不需要经过硬件环境实际测试情况下，可以通过MATLAB生成滤波器系数和测试文件，再由FGPA按生成的滤波器系数和测试文件仿真生成结果文件，最后MATLAB测试结果文件，验证FPGA滤波器设计的正确性。基于FPGA和MATLAB的滤波器设计具有很强的实用性和参考意义。

参考文献

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