FIR逻辑设计【绝版好资料，看到就别错过】

FIR逻辑设计 宋明聪 背景 数字幅度均衡功率放大器 【 2009年全国大学生电子设计竞赛 C题 】 带阻网络： 对前置放大电路输出信号 v1进行滤波，以 10kHz时输出信号 v2电压幅度为基准，要求最大衰减 10dB 数字幅频均衡 应用数字信号处理技术，制作数字幅频均衡电路，对带阻网络输出的20Hz 20kHz信号进行幅频均衡。 要求： a. 输入电阻为 600欧。 b. 经过数字幅频均衡处理后，以 10kHz时输出信号 v3电压幅度为基 准，通频带 20Hz 20kHz内的电压幅度波动在 1.5dB以内。 解决方案 数字滤波器 模拟滤波器主要用来处理连续时间信号，而数字滤波器用来处理离散时间信号和数字信号。与模拟滤波器相比，数字滤波器有以下优点： 精度和稳定性高 改变系统函数比较容易，因而比较灵活 不存在阻抗匹配问题 便于大规模集成 可以实现多维滤波 滤波原理 对输入信号起到滤波作用，对线性非移变系统有： 线性非移变系统的输入与输出 一个既满足叠加原理 又满足非移变条件的系统，被称为线性非移变系统。 线性非移变系统的滤波作用 数字低通滤波器的技术要求 分类 无限冲激响应（ IIR） 有限冲激响应（ FIR） FIR 1z1z 1z0b Mb 1Mb2b1bx k y k h 0 h 1 h 2 h M h M 1 iiMikMkzbzkhzH 00)(FIR系统直接实现的流程图 数字滤波器是一种非递归系统，其冲激响应（）是有限长序列， 其系统函数一般形式为： FIR数字滤波器的设计方法 基本特性 FIR滤波器永远是稳定的（极点均位于原点） FIR滤波器的冲激响应是有限长序列 FIR滤波器的系统函数为多项式 FIR滤波器具有线性相位 设计的基本方法 窗函数法，频率抽样法和等波纹逼近法 窗函数法 窗函数法原理 将理想低通滤波器单位取样响应序列 截断（等效于加矩形窗），用得到的有限长序列逼近理想低通滤波器。 理想低通滤波器的频率响应 其冲激响应为 nhd窗函数法 nhd窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 窗函数法 加窗的影响 理想 LPF加窗后： (1)使滤波器的频率响应在不连续点出现了过渡带，它主要是由窗函数频谱的主瓣引起的，其宽度取决于主瓣的宽度。 (2)使滤波器在通带和阻带产生了一些起伏震荡的波纹 吉布斯现象，主要由旁瓣造成。 窗函数法 在一般情况下，对窗函数的要求是： (1)尽量减少窗函数频谱的旁瓣高度，使能量集中在主瓣，减少通带 /阻带中的波纹。 (2)主瓣的宽度尽量窄，获得较陡的过渡带。 以上两条标准相矛盾，为了达到上述要求，采取的措施为：采用不同的窗函数。采用窗函数法设计出来的FIR数字低通滤波器的频率响应，它对理想低通滤波器的频率响应的逼近程度，取决于窗函数的频谱的主瓣宽度和旁瓣衰减的大小。 窗函数法 几种常用的窗函数 窗函数法 FIR滤波器系数的计算 FIRDesigner.exe 使用的窗函数法 可以设计低通和高通两种 MATLAB FIR1函数（窗函数法） FIR2函数（频率采样法） FDATool FIRDesigner.exe程序介绍 Wc为 3dB通带截止频率 Normalized Wc=Wc/(Fs/2) FIRDesigner.exe程序介绍 本设计程序可以生成两种结构的 FIR滤波器 基于 CSD编码的并行结构 速度快：每个 clk就可以处理一个输入信号 消耗资源较多 基于通用乘法器的串行结构 速度慢：多个 clk才可以处理一个输入信号 （ clk的个数取决于非零系数的个数） 消耗资源较少 MATLAB&电赛 算法的仿真验证 均衡仿真，频谱分析 利用它的工具箱辅助设计 FDATool等 Simulink与 DSPBuilder联调 自动生成 FPGA工程 MATLAB&FIR 本设计举例设计一个 200阶的低通滤波器。 clc； close all； N=200； f=0 0.05 0.06 0.09 0.1 0.15 0.2 1； m=1 1 0 0 0 0 0 0； b=fir2(N,f,m)； H,W=freqz(b,1,512)； figure(1) plot(f,m,W/pi,abs(H)； fid = fopen(Coefficients.txt, wt)； fprintf(fid, %0.15fn,b)； fclose(fid)； 说明： b=fir2(N,f,m)：该函数返回一个包含 n阶低通 FIR滤波器 n+1个系数的行向量 b。其频率和幅值特性由向量 f和 m决定。 f是一个频率点向量，它的取值范围在 0 1之间， 1对应内奎斯特频率，并且 f的第一个值必须为 0，最后一个值必须为 1。 m是包含对应 f各频率点理想幅值向量。 f和 m具有相同的长度。对于奈奎斯特频率处的通带，该函数要求滤波器阶数 n为偶数，若用户定义 n为奇数，系统将自动对它加 1。 MATLAB&FIR 转换为频率： f=w*fs/2，这三个频点分别为 1.66K， 2.6365K， 3.5155K MATLAB&FIR FIR模块说明 并行结构 Clock：系统时钟 ClkEn：采样频率 AsyncRst：异步复位， 1为真 In：数据输入 Out：滤波输出 FIR模块说明 串行结构 Clock：系统时钟 AsyncRst：异步复位， 1为真 In：数据输入 InEn：采样频率 Out：滤波输出 OutValid：输出信号有效标志位 注意的问题 时钟同步 数据溢出 设计任务 利用 WM8731作为信号的采集和输出模块，在 FPGA内部设计一个任意的 FIR滤波器，对 20Hz-20KHz之间的信号进行滤波处理，比较理论设计和实际性能的差