LabVIEW輔助設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器及FPGA實(shí)現(xiàn)

張文濤，張鵬蛟，趙 鵬

（長安大學(xué)，陜西 西安 0300511）

在輻照加速器低電平控制系統(tǒng)中，從加速腔中采集的信號(hào)受到外界的干擾信號(hào)的影響，為保證整個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，并保證整個(gè)系統(tǒng)最低要求的精度，因此具有高精度、實(shí)時(shí)的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)被提出來。數(shù)字濾波器的實(shí)質(zhì)是對數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算處理，從而改變原始信號(hào)，完成濾波處理，得到要求的信號(hào)。通常模擬濾波器對濾波器元件精度要求比較嚴(yán)格，而且后面調(diào)試也比較耗時(shí)，且可靠性較低，相比起來，數(shù)字濾波器的可靠性和穩(wěn)定性都很高，且容易調(diào)節(jié)，即只要改變?yōu)V波器的參數(shù)就可以很方便的改變?yōu)V波器的性能，直到達(dá)到要求[1]。

早期，為了解決濾波器的實(shí)時(shí)性和高計(jì)算速率問題，通常的辦法是采用專用的高速數(shù)據(jù)處理芯片和匯編語言來完成程序編寫，但是這樣，一方面對硬件成本要求提高，另一方面設(shè)計(jì)周期會(huì)延長，并且芯片的存儲(chǔ)量也對濾波器的設(shè)計(jì)有不小的影響。而大型可編程門陣列（FPGA）具有高速運(yùn)算速度，大的存儲(chǔ)量，可編程，用戶易操作，從而大大地節(jié)省了設(shè)計(jì)成本和縮短設(shè)計(jì)周期。通過FPGA和LabView的聯(lián)合使用，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)速度和可靠性[2]。

1 FIR濾波器的原理

FIR濾波器，也就是有限沖擊響應(yīng)濾波器，字面上不難理解，也就是說，該濾波器一個(gè)單位響應(yīng)脈沖是有限的。詳細(xì)地來講，F(xiàn)IR濾波器其突出特點(diǎn)是使其單位取樣響應(yīng)h（n）是一個(gè)N點(diǎn)長的有限長序列0～N-1.這樣濾波器的輸出y（n）可表示為輸入序列x（n）與單位取樣響應(yīng)h（n）的線性卷積。其表達(dá)式如下。

從上面系統(tǒng)函數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)IR濾波器的極點(diǎn)只存在原點(diǎn)上，這使得FIR系統(tǒng)具有全局穩(wěn)定性。另外分析其函數(shù)右邊組成可知FIR濾波器可以看成加法器和乘法器組合而成，每個(gè)乘法器都有一個(gè)操作系數(shù)，也就是通常所說的抽頭次數(shù)，這些抽頭系數(shù)可以通過相關(guān)軟件計(jì)算獲得。這也是這種濾波器結(jié)構(gòu)被人們稱為“抽頭延遲線結(jié)構(gòu)”的原因。

1.1 FIR濾波器結(jié)構(gòu)選擇

大體來講，根據(jù)不同場合要求有四種FIR的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的要求來供選擇，即直接型、快速卷積型、頻率取樣型和級(jí)聯(lián)型四種濾波結(jié)構(gòu)。考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，運(yùn)算的存儲(chǔ)量和FPGA實(shí)現(xiàn)的難易程度，因此，這里選擇直接型FIR濾波器結(jié)構(gòu)。FIR濾波器的輸出y（n）可表示為輸入序列x（n）單位取樣響應(yīng)h（n）的線性卷積，根據(jù)式（1）和（2）可以很容易得出FIR濾波器的直接型結(jié)構(gòu)（假設(shè)濾波器的單位取樣響應(yīng)為M+1點(diǎn)長的有限序如圖1所示[3]。

其系統(tǒng)函數(shù)為

圖1 直接型FIR濾波結(jié)構(gòu)

通過上面結(jié)構(gòu)來看，就M+1階的FIR濾波器，要有M+1個(gè)乘法運(yùn)算單元和M個(gè)用來的延時(shí)單元，另外還要一個(gè)加法運(yùn)算單元用來整合。由于通過FPGA完成上述結(jié)構(gòu)過程中，乘法運(yùn)算所耗器件資源要比加減法等運(yùn)算所耗費(fèi)資源多得多。因此在實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要最大程度降低乘法運(yùn)算量。由FIR濾波器相關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很容易知道，只有單位取樣響應(yīng)具有對稱特性的FIR濾波器才具有線性相位特性，所以，一般都會(huì)使用具有線性相位特性結(jié)構(gòu)的濾波器來實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，著重點(diǎn)就是其對稱特性，這樣就省去了很大一部分器件資源。

根據(jù)FIR濾波器的幅度特性，可以將濾波器分成四種不同的結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，也分別對應(yīng)了相應(yīng)的直接型FIR濾波器基本結(jié)構(gòu)。對于第一種結(jié)構(gòu)，即M是偶數(shù)，且單位取樣響應(yīng)為偶對稱的情況，對其系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系式如下所示。

同樣的方法，也可以得出其它幾種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸入與輸出響應(yīng)關(guān)系。對于第二種結(jié)構(gòu)，即M是奇數(shù)，單位取樣響應(yīng)為偶對稱的情況，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系式如下所示

第三種結(jié)構(gòu)，即M是偶數(shù)，單位取樣響應(yīng)為奇對稱的情況，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系式如下所示。

第四種結(jié)構(gòu)，即M是奇數(shù)，單位取樣響應(yīng)為奇對稱的情況，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系式如下所示

根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）、式（6），可以分別畫出響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，這里給出第二種對稱機(jī)構(gòu)的FIR濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 線性相位FIR濾波器的直線型結(jié)構(gòu)

通過觀察圖1和圖2所示的兩種濾波器結(jié)構(gòu)不難分析可以得出，對于相同階數(shù)的系統(tǒng)，使用線性相位的濾波器要比使用非線性相位的FIR濾波器所需要的乘法運(yùn)算操作至少降低了一半，這樣一來就可以很有效的降低對FPGA內(nèi)部資源的使用。

1.2 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

FIR濾波器抽頭系數(shù)h（i）設(shè)計(jì)方法有多種，有窗函數(shù)法（從時(shí)域角度出發(fā)）、頻率取樣法（從頻域角度出發(fā)）、最優(yōu)設(shè)計(jì)方法（等波紋切比雪夫逼近法），其中窗函數(shù)法設(shè)計(jì)最簡便。Kaiser窗是一種可調(diào)窗，是利用I0（x）即等零階貝塞爾函數(shù)構(gòu)成的，Kaiser窗函數(shù)的表達(dá)式為。

式中，I0（x）是第一類變形貝塞爾函數(shù)；β是窗函數(shù)的形狀參數(shù)，可以自由選擇。改變?chǔ)轮悼梢哉{(diào)節(jié)主瓣寬度和旁瓣電平，β＝0時(shí)相當(dāng)于矩形窗，其典型值為4～9[4].

2 濾波器設(shè)計(jì)的前仿真

LabView有圖形化表示的脈沖函數(shù)和正弦函數(shù)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析模塊、圖形語言和交互界面。程序編制模塊由下而上，層層調(diào)用子程序，設(shè)計(jì)的交互界面調(diào)試方便。本設(shè)計(jì)待處理的信號(hào)是一個(gè)1 MHz正弦信號(hào)和2 MHz正弦信號(hào)的疊加信號(hào)，采樣率為32 MHz，濾波器階數(shù)為64階。圖3濾波器設(shè)計(jì)的頻譜圖。

圖3 FIR濾波器的頻譜圖

從圖3可以看到，顯然1 MHz信號(hào)在通帶內(nèi)，而2 MHz信號(hào)在通帶以外，被衰減掉了。下面圖4、5和6是濾波器通過疊加信號(hào)之后的頻譜圖和時(shí)域波形，很明顯2 MHz信號(hào)被有效地濾除掉了。

圖4 LabVIEW中疊加信號(hào)通過濾波器的頻譜圖

圖5 LabVIEW中疊加信號(hào)通過濾波器前的時(shí)域圖

圖6 LabVIEW中疊加信號(hào)通過濾波器后的時(shí)域圖

3 通過FPGA的濾波器實(shí)現(xiàn)

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用的是Altera公司Cyclone IVE系列芯片，利用QuartusⅡ11.0編輯環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，QuartusⅡ11.0編輯軟件中提供了大量現(xiàn)成可直接調(diào)用的IP核如加法器、乘法器等，大大的縮短了設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。圖7是具有線性相位的并行FIR濾波器結(jié)構(gòu)圖，以此為根據(jù)來編寫FPGA程序[5]。

圖7 具有線性相位的并行FIR濾波器結(jié)構(gòu)

上述并行結(jié)構(gòu)，即并行實(shí)現(xiàn)濾波器的累加運(yùn)算，具體來講就是將具有對稱系數(shù)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，而后采用多個(gè)乘法器并行實(shí)現(xiàn)系數(shù)與數(shù)據(jù)的乘法運(yùn)算，最后將所有乘積結(jié)果相加輸出?？梢钥闯?，這種結(jié)構(gòu)具有最高的運(yùn)行速度，由于不需要累加運(yùn)算，因此系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可以與數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘頻率一致。

4 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后仿真測試

本次FIR濾波器FPGA設(shè)計(jì)仿真測試由Modesim仿真軟件來完成，這是因?yàn)槠溆斜容^友好交互環(huán)境，仿真速度快，保護(hù)IP核不受影響，并且同時(shí)支持VHDL和Verilog HDL語言。仿真結(jié)果由圖8所示。

圖8 FIR濾波設(shè)計(jì)ModelSim仿真時(shí)序圖

由圖8可以看出，濾波器輸入信號(hào)（Xin）的波形由于是頻率1 MHz和2.1 MHz正弦波的合成信號(hào)，從時(shí)域上無法明顯分辨出1 MHz信號(hào)，由于濾波器輸出信號(hào)（Yout）是經(jīng)過低通濾波后的信號(hào)，可以明顯的看出2.1 MHz正弦波信號(hào)被濾除，保留了1 MHz正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)起始處波形是一小段直流分量，這是由于FIR濾波器運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的固有延時(shí)造成。根據(jù)FIR濾波器原理，長度為N的濾波器，濾波延時(shí)為N/2個(gè)數(shù)據(jù)周期。

將上述濾波器輸出信號(hào)上傳給LabView，經(jīng)過處理可得到圖9.

圖9 LabVIEW接收FPGA輸出數(shù)據(jù)的時(shí)域圖

由此可以通過LabView對比FPGA設(shè)計(jì)FIR濾波前后數(shù)據(jù)以達(dá)到對比的效果

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)首先通過LabView完成FIR濾波器設(shè)計(jì)的前期仿真，并得到FPGA設(shè)計(jì)所需要的抽頭系數(shù)，然后使用VerilogHDL硬件描述語言完成FPGA的設(shè)計(jì)，接著將從FPGA輸出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abView中，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的友好交互，已達(dá)到對濾波效果的實(shí)時(shí)檢測。通過上述仿真結(jié)果證實(shí)上述方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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[5]夏雨文.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：97-110.