基于FPGA 的數(shù)字帶通濾波器設(shè)計與仿真

閆慧欣，楊 錄，李少聰，滕生超，左天樂，呂俊文

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 038507）

0 引 言

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)作為一種距離遠、傳輸速度快、效率高的新型無損檢測手段，在高溫鍋爐、罐裝燃氣、石油管道等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

在信號激發(fā)、傳輸和接收的過程中，超聲導(dǎo)波可能會被外部噪聲所影響，例如在進行動態(tài)溫度場溫度測量時，對于測溫結(jié)果的處理，先用電路實現(xiàn)帶通濾波，再通過上位機存儲數(shù)據(jù)，然后利用Matlab 對測量信號進行處理。如果可以直接通過FPGA 實現(xiàn)帶通濾波器，再將濾波器結(jié)果直接在FPGA 中進行運算，那么就可以大大節(jié)省運算時間。本文設(shè)計目的是設(shè)計高頻、窄帶的帶通濾波器，普遍滿足于超聲導(dǎo)波探測技術(shù)的需要。

1 濾波器的設(shè)計原理

在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，數(shù)字濾波器根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可分為無限脈沖響應(yīng)（IIR）和有限脈沖響應(yīng)（FIR 濾波器）兩大類[2]。

IIR 數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)由2 個可調(diào)節(jié)因子組成，其中兩個因子分別為零點和極點，只有一個條件是極點必須位于一個單位圓圈之內(nèi)，從而降低系統(tǒng)的階數(shù)，提高系統(tǒng)的選擇性。但是，IIR 濾波器的穩(wěn)定性得不到保證，而且無法達到嚴格的線性相位[3]。而FIR 濾波器的傳輸函數(shù)由于其極點是固定于原點的，其特性可以隨零點的變化而變化，具有較好的穩(wěn)定性、較好的相位線性和多通帶濾波等優(yōu)點，因此，本文選擇FIR 濾波器。FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu)有直接型、級聯(lián)型、線性相位型、頻率采樣型等[4]。其中直接型運算簡單、運行速度快、節(jié)省資源，可作為本文的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

對于單位抽樣響應(yīng)為h（n）的N-1 階FIR 濾波器，輸入信號為x（n），n為序列號，輸出信號為y（n）。在時域中，濾波器的差分方程公式為：

頻域中，系統(tǒng)函數(shù)表示為：

根據(jù)式（2）可得出如圖1所示的直接型結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，直接型結(jié)構(gòu)由延遲器、乘法器和加法器組成[3]。

圖1 FIR 濾波器直接型結(jié)構(gòu)

若濾波器的階數(shù)為N-1，則實現(xiàn)該濾波器需要N個延遲器、N個乘法器以及N-1 個加法器[5]。通常，直接型濾波器按順序執(zhí)行，可采用流水線處理方式，本濾波器的階數(shù)為20 階。20 階FIR 濾波器系統(tǒng)輸出表達式為：

式中，N個濾波器的抽頭系數(shù)h（n）分別與N個采樣數(shù)據(jù)x（n）相乘，所得的積累之和為輸出結(jié)果[5]。FIR 濾波器實現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 N 階FIR 數(shù)字濾波器直接型結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計模型

2 濾波器的Matlab 設(shè)計與仿真

針對上述情況，本文濾波器設(shè)計的數(shù)字指標(biāo)如下：采樣頻率為100 MHz、中心頻率為1 MHz、衰減幅值為50 dB 的20 階FIR 帶通濾波器。硬件實現(xiàn)帶通濾波器，階數(shù)越高所耗的資源越高，故將低通濾波器和高通濾波器疊加起來進行實現(xiàn)，運用fdatool 工具分別得到高通濾波器和低通濾波器的傳輸系數(shù)，如圖3 所示，灰色線為20 階低通濾波器，黑色線為20 階高通濾波器[1]。

圖3 帶通濾波器系數(shù)設(shè)計

本濾波器設(shè)計帶通是依靠高通濾波器疊加低通濾波器實現(xiàn)的，低通濾波器確定了上限，高通濾波器確定了下限，當(dāng)上限下限都確定，那么就實現(xiàn)了帶通。這樣做的好處是：在實現(xiàn)相同帶寬的時候，該方法所用的階數(shù)少；FPGA 仿真時，所耗資源也少，運行速度快。以f1=0.5 MHz，f2=1 MHz，f3=1.5 MHz 三個單頻正弦波疊加構(gòu)成模擬信號，如圖4 所示，頻率0.5 MHz 和1.5 MHz 被濾除，1 MHz 可以輸出，達到了濾波效果[6]。

圖4 Matlab 仿真模擬圖

從fdatool 工具包設(shè)計出的高低通濾波器系數(shù)為歸一化的小數(shù)，但在FPGA 上運算只能對定點數(shù)進行計算，故需要將系數(shù)進行量化取整，將系數(shù)符號都變成正的，方便FPGA 使用，量化公式[7]為：

Numhigh = round(Numhigh×105- 851)（4）式中：Numhigh 表示系數(shù)；round 表示取整。由量化函數(shù)映射出FPGA 中的系數(shù)函數(shù)，在FPGA 中以圖5 所示帶通濾波器的RTL 結(jié)構(gòu)圖來實現(xiàn)數(shù)字帶通濾波器。

圖5 帶通濾波器的RTL 圖

如圖5 所示，F(xiàn)PGA 仿真的RTL 圖采用乘法器和累加器來依次實現(xiàn)低通濾波器和高通濾波器，將Matlab 進行仿真生成的待濾波信號作為輸入信號data_in，輸入序列以八進制的格式存為.txt 文件保存。在進行ModelSim 仿真時，直接調(diào)用此文件作為濾波輸入信號，通過PLL 鎖相環(huán)設(shè)置200 MHz 的工作頻率，再通過FIFO 先入先出的特性，將低通濾波器輸出信號data_out傳入高通濾波器[8]。

3 濾波器的FPGA 設(shè)計

FIR 數(shù)字帶通濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)由鎖相環(huán)PLL 設(shè)計模塊、高低通濾波器設(shè)計模塊、FIFO 數(shù)據(jù)存儲模塊、testbench 設(shè)計模塊等組成，核心模塊為高低通濾波器設(shè)計模塊。如上所述，濾波器的原理就是輸入信號與濾波器系數(shù)的卷積，低通濾波器和高通濾波器的區(qū)別是截止頻率和通帶頻率不同，濾波器濾波的過程是頻域卷積的過程，所以本文設(shè)計低通和高通濾波器的方法都為流水線加法樹陣列法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 流水線加法樹陣列的20 階FIR 低通濾波器結(jié)構(gòu)

為對接A/D 轉(zhuǎn)換，設(shè)計輸入信號位寬為16 位，采樣點數(shù)為512 點，輸出位寬為16 位，F(xiàn)IFO 位寬也為16 位，數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理。輸入數(shù)據(jù)data_in 為16 位512 點，F(xiàn)IFO 位寬設(shè)計為16 位，利用其先入先出的特性，將通過低通濾波后的輸出信號data_out 作為高通濾波器的輸入信號data_hin ，通過高通濾波器的輸出結(jié)果data_hout 就是帶通濾波的結(jié)果，這期間工作頻率為200 MHz。

本文采用流水線加法樹陣列結(jié)構(gòu)，D 代表信號延遲，x（n）為最先輸入的信號，然后通過延遲得到x（n-1），再與相對應(yīng)的系數(shù)h（0）相乘，以此類推，延遲直到x（n-20），再將乘法運算的結(jié)果兩兩相加后，再進一步延遲、相加，直到最后僅有一位信號，即輸出output信號[9]。

帶通濾波器的ModelSim 仿真圖如圖7 所示。圖中：data_in 為設(shè)置的輸入信號；data_out 為低通濾波器過濾后的結(jié)果；data_hout 為高通濾波器過濾后的結(jié)果，也是過濾后總結(jié)果。從圖7 中可以看出，針對16 位512 點數(shù)據(jù)耗時1 047 個時鐘的濾波低頻信號、高頻信號，輸出了通帶內(nèi)的單頻信號，實現(xiàn)了帶通濾波功能。由仿真結(jié)果可以得出：在高噪聲信號環(huán)境下，針對信號特征提取與識別問題，同時滿足實時性與快速行的要求，與Matlab 仿真結(jié)果一致，說明該濾波器性能良好。

圖7 帶通濾波器的ModelSim 仿真圖

從信號開始進入到輸出結(jié)果的時間約為1 047 ns，再除以工作時鐘的周期，已知工作頻率為100 MHz，則周期為1/100 MHz，由此可以得到時鐘數(shù)約為1 047。

4 結(jié) 論

本文從FIR 數(shù)字濾波器的原理出發(fā)，運用直接型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字濾波，利用fdatool 工具箱與Verilog 硬件設(shè)計語言設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字濾波。通過低階濾波器疊加實現(xiàn)帶通濾波器的濾波，并采用Matlab 和ModelSim 相結(jié)合的方法對所設(shè)計的數(shù)字濾波器進行了仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)字帶通濾波器可以獲得較好的濾波效果。