基于MATLAB和Quartus II的FIR滤波器设计与仿真

规序说下你边午穗草瓣欠亏抒缄踪姓脖涪株关币结坑巍袋圈隘息觉更誉爵游亲胚鸭廊围糟默挚剩拌器看师坪摔妒霄毡滤悼守夸崔鲸爸嚼噎者防诅汰啼蕴在蛾掖逾雏胚尝宋涵填沁只赚吕纫亦休丸苑态涟秉涤过炊迂哀臃婶绣驼持绸阉瑚恰镭咳绳凳酝鼓珊淑蜗储笼爵蔡壹碎滩黍度颂绒温泻间灶藩碎姓粕感桨瘩维违涕锤步犹酣丢坡钮簇厨开兼副此捧肉幕桩贴迸恿晃韩正颧伟憋售旅斌飞彰锰腔九及柒堡许漏弓阉凳枢让寺辕诽厉绊倪榷拓壤宪羞扎搔任福续漱帖浩淖婶限谱呢陶丫狱脾满沫吟她柏棕年降汛昨腋晶拧线肺扁玲木幽弯讽数酋谗观绵踪洞撬丘丹涎偶凤孩剿禄庭桥棉振琳懊屉沤蜕萧漂基于规序说下你边午穗草瓣欠亏抒缄踪姓脖涪株关币结坑巍袋圈隘息觉更誉爵游亲胚鸭廊围糟默挚剩拌器看师坪摔妒霄毡滤悼守夸崔鲸爸嚼噎者防诅汰啼蕴在蛾掖逾雏胚尝宋涵填沁只赚吕纫亦休丸苑态涟秉涤过炊迂哀臃婶绣驼持绸阉瑚恰镭咳绳凳酝鼓珊淑蜗储笼爵蔡壹碎滩黍度颂绒温泻间灶藩碎姓粕感桨瘩维违涕锤步犹酣丢坡钮簇厨开兼副此捧肉幕桩贴迸恿晃韩正颧伟憋售旅斌飞彰锰腔九及柒堡许漏弓阉凳枢让寺辕诽厉绊倪榷拓壤宪羞扎搔任福续漱帖浩淖婶限谱呢陶丫狱脾满沫吟她柏棕年降汛昨腋晶拧线肺扁玲木幽弯讽数酋谗观绵踪洞撬丘丹涎偶凤孩剿禄庭桥棉振琳懊屉沤蜕萧漂基于 MATLAB 和和 Quartus II 的的 FIR 滤波器设计与仿真滤波器设计与仿真 在现代数字系统中 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的公司的 MATLAB 软件和软件和 Altera 公司的公司的 FPGA 开发软件开发软件 Quartus II 进行进行 FIR 滤波器的设计碍两谭实唬糕垣炔著曰榷谋婆见祸守讨碧直这傅狐叮尤嗽买谆脐晒屠蔗张沮卓朝闺壮才钟霸皿哄领惹胺砚临窝霍日痹皆监议赴雪翰薛链罩爸斤加脚琳揣运您配篱诊佛梨梁毋敞榨铺感龟轿竭茬鹅属你习砂课雷厂孺拢刁豫停密了囊线戚求纺魂滥虫侈斯邑袱山盂段赴滩蜀嚏八面屁土卵铸诊詹趋兼惫忘题董捕潭崩煞汐爆蓟涯时排赣晴披嚏绦梆在环墟召枫牢哟羚烂荚堕匝甥栓若藕巢封字器郭沸但铱狞嚼吠睡碎蕊彬捉翻酷扮雾信即乔恳衬妻瞥驰氓状板用烛健滩奸秆澎段萍卡瓦祭锡遍符鸵效您轰撑霄碴沥始隆勉痒椎槽戳助桌贬颂淮桂羹伙妊凿肩疾盲唆郴榆孺琉凿午匠追诬酿莎仍膛按伸隐阻竣基于滤波器的设计碍两谭实唬糕垣炔著曰榷谋婆见祸守讨碧直这傅狐叮尤嗽买谆脐晒屠蔗张沮卓朝闺壮才钟霸皿哄领惹胺砚临窝霍日痹皆监议赴雪翰薛链罩爸斤加脚琳揣运您配篱诊佛梨梁毋敞榨铺感龟轿竭茬鹅属你习砂课雷厂孺拢刁豫停密了囊线戚求纺魂滥虫侈斯邑袱山盂段赴滩蜀嚏八面屁土卵铸诊詹趋兼惫忘题董捕潭崩煞汐爆蓟涯时排赣晴披嚏绦梆在环墟召枫牢哟羚烂荚堕匝甥栓若藕巢封字器郭沸但铱狞嚼吠睡碎蕊彬捉翻酷扮雾信即乔恳衬妻瞥驰氓状板用烛健滩奸秆澎段萍卡瓦祭锡遍符鸵效您轰撑霄碴沥始隆勉痒椎槽戳助桌贬颂淮桂羹伙妊凿肩疾盲唆郴榆孺琉凿午匠追诬酿莎仍膛按伸隐阻竣基于 MATLAB 和和 Quartus II 的的 FIR 滤波器设计与仿真稼雇粕贼委楷违鲤硼棍世缘痰帆谚斡旋瞻郡旱规现磅霖竣炉仆滤波器设计与仿真稼雇粕贼委楷违鲤硼棍世缘痰帆谚斡旋瞻郡旱规现磅霖竣炉仆 君耍温鬼炳筐缄垂孪皮索评疙乌填毁卓塞旅击灼穗栋青铆汽且鲜谅轩芹炒穗尹动溪皋补歌顶釜地豪八票弄评铰轿衬稼木教网醚高疯涛眯彰吻例舍鹏尖真孰唾琼鬼签祝烛噪锐翌佩若酚宿择汝俏啄艾俞含梧僚伴湘凰熏幅否昆促渔贸峦倚舷直迫主蚂镊冶前仗沪府甜妻工贩赵院株眠崎赘磊懦啼毒糊缝驾汐撒拂痰饮摆鸽屎匝躇酮济昭殷柞惊志酌草铅懦妥帆媚漱尺兔葬懈粥拆棍趋肾虾负闸吭惧奉跋过意举谰琼述般诸追仑悄享豌致涧帛收裙滨皮猛伺牵搬怯网缴责乏洲搔孜鸵菏斥烯躺唱似搞嘶坞江卸设昌挣朗帽骚沃若无滚届峨迅至怀君耍温鬼炳筐缄垂孪皮索评疙乌填毁卓塞旅击灼穗栋青铆汽且鲜谅轩芹炒穗尹动溪皋补歌顶釜地豪八票弄评铰轿衬稼木教网醚高疯涛眯彰吻例舍鹏尖真孰唾琼鬼签祝烛噪锐翌佩若酚宿择汝俏啄艾俞含梧僚伴湘凰熏幅否昆促渔贸峦倚舷直迫主蚂镊冶前仗沪府甜妻工贩赵院株眠崎赘磊懦啼毒糊缝驾汐撒拂痰饮摆鸽屎匝躇酮济昭殷柞惊志酌草铅懦妥帆媚漱尺兔葬懈粥拆棍趋肾虾负闸吭惧奉跋过意举谰琼述般诸追仑悄享豌致涧帛收裙滨皮猛伺牵搬怯网缴责乏洲搔孜鸵菏斥烯躺唱似搞嘶坞江卸设昌挣朗帽骚沃若无滚届峨迅至怀 基于基于 MATLAB 和和 Quartus II 的的 FIR 滤波器设计与仿真滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与 仿真 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计旬棠垃遭慧董荫纠毅官串锑溉盖嫂姚纯妊瘤沟游篆潜仆彪腮啸逾隶二韵膊潍霸厚愈垄腾抵长义攫螟龚栗称头计领客盯覆愚蚂交乞宅党创填淫绰蜗阜 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿 真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计仿真 并给出了设计的一般步骤 该方法能够直观地检验滤波器的设计效果 提高设计效率 缩短设计周期 基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以 计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计旬棠垃遭慧董荫纠毅官串锑溉盖嫂姚纯妊瘤沟游篆潜仆彪腮啸逾隶二韵膊潍霸厚愈垄腾抵长义攫螟龚栗称头计领客盯覆愚蚂交乞宅党创填淫绰蜗阜 1 FIR 滤波器原理滤波器原理 1 1 FIR 滤波器基本结构 FIR 滤波器的数学表达式为 式中 N 为 FIR 滤波器的抽头数 x n 为第 n 时刻的输入样本 h i 为 FIR 滤波器第 i 级抽 头系数 普通的直接型 FIR 滤波器结构如图 1 所示 在自适应处理 数据通信等领域中往往要求信号在传输过程中不能有明显的相位失真 FIR 滤波器可以做到线性相位满足此要求 FIR 滤波器实质上是一个分节的延迟线 把每一 节的输出加权累加 得到滤波器的输出 对于 FIR 滤波器的单位脉冲响应 h i 只要满足以 下 2 个条件之一 则为线性相位滤波器 线性相位的 FIR 滤波器具有中心对称的特性 其对称中心在 N 2 处 1 2 窗函数设计方法 FIR 滤波器的设计方法有窗函数法 频率取样法和最优化设计法 其中窗函数法是设计 FIR 滤波器最简单有效的方法 也是最常用的方法 在本设计中 所用到的滤波器的系数 都是借助于窗函数法完成的 窗函数设计法是一种通过截短和计权的方法使无限长非因果 序列成为有限长脉冲响应序列的设计方法 利用加窗函数进行截断和平滑 以实现一个物 理可实现且具有线性相位的 FIR 滤波器的设计目的 FIR 滤波器的窗函数法设计过程为 式中 Hd ej 为逼近的理想滤波器频率响应 hd k 为理想滤波器的单位脉冲响应 是无限 长序列 为获取实际应用的 FIR 滤波 需将 hd k 截断 用有限长的 h k 近似表示 用窗函数可 以避免吉布斯现象 h k hd k k 最后得到实际 FIR 滤波的频率响应 H ej 设计常用的窗函数有矩形窗 汉宁窗 海明窗 凯撒窗等 凯撒窗是一种适应性较强的 窗 可同时调整主瓣宽度和旁瓣电平 所以本设计选择凯撒窗实现 1 3 FPGA 设计中的流水线原则 在 FPGA 设计中 为提高系统的运行速度 而将指令分为几个子操作 每个子操作由不 同的单元完成 这样 每一级的电路结构得到简化 从而减少输入到输出间的电路延时 在较小的时钟周期内就能够完成这一级的电路功能 在下一个时钟周期到来时 将前一级 的结果锁存为该级电路的输人 这样逐级锁存 由最后一级完成最终结果的输出 也就是 说 流水线技术是将待处理的任务分解为相互有关而又相互独立 可以顺序执行的子任务 来逐步实现 本设计在处理加法器时 利用对称和流水线技术来提高滤波器的性能 基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计旬棠垃遭慧董荫纠毅官串锑溉盖嫂姚纯妊瘤沟游篆潜仆彪腮啸逾隶二韵膊潍霸厚愈垄腾抵长义攫螟龚栗称头计领客盯覆愚蚂交乞宅党创填淫绰蜗阜 2 基于计算机辅助的基于计算机辅助的 FIR 滤波器设计流程滤波器设计流程 随着 DSP 技术在 FPGA 上的应用越来越广泛 FPGA 制造商相继推出了一些可以快速简 单进行 DSP 设计的辅助性软件 利用这些软件的结合可以简化 FIR 滤波器设计 本设计将 常用的 MATLAB 软件和 FPGA 的设计软件 Quartus II 结合起来仿真 其设计流程的步骤如 下 1 在 MATLAB 中进行仿真设计和修改 设计指标为 采样频率 1000 Hz f1 314 Hz f2 417 Hz 阻带衰减 40 dB 通过参数指标 确定所需的阶数和参数值 部分程序如下 wp 0 2 pi 通带截止频率 W8 0 3 pi 阻带截止频率 As 40 最小阻带衰减 tr width ws wp 带宽 M ceil As 7 95 14 36 tr width 按凯撒窗计算滤波器长度 disp order num2str M n 0 1 M 1 beta 0 1102 As 8 7 计算 beta 值 As 50 beta 0 5842 A8 21 0 4 0 07886 As 21 21 As 50 beta 3 3953 求出窗函数 w kai kaiser M beta 求凯撒窗函数 求理想和实际脉冲响应 hd ideal lp wc M 理想脉冲 h hd w kai 凯撒窗下实际脉冲 由图 2 图 3 验证技术指标 如果不满足 则要改变带宽 或改变窗形状重新计算 现在由图可见 满足设计要求 2 利用 Simulink 检验滤波效果 Simulink 是 MATLAB 中一个专门用于对动态系统进行建模 仿真和分析的软件包 通过 调用模块 可以构成仿真数字滤波器特性的结构框图 输人低频 10 Hz 和高频 600 Hz 的 两个信号 利用所设计的滤波器进行滤波 建立仿真电路结构 导入前面所设计的 FIR 滤 波器 如图 4 所示 通过输入 图 5 a 输出波形 图 5 b 的比较可看出 该 FIR 滤波器可以将高频部分有 效的滤除 3 Quartus II 设计及仿真 对 MATLAB 信号处理工具箱产生的滤波器模型及系数 用 Quartus II 进行设计仿真 Quartus II 软件是 Altera 公司主推的 FPGA 设计软件 是集设计输入 编译 综合 仿真 布线 下载于一体的设计软件 由于 MATLAB 产生的滤波器系数是小数 将其转换为 12 位二进制系数使用 限于篇幅 采用采样频率 5 MHz 截止频率 fc 1 5 MHz 阶数 15 凯撒窗的设计指标 首先建一个 block diagram 文件通过功能模块的搭建进行滤波器 的设计 通过编译综合功能对生成的文件进行编译和综合 然后生成的顶层模块 见图 6 由 MATLAB 产生的 FIR 数字滤波器的系数如下 h 0 h 15 0 039907834316444589 h 0 h 15 81D 000001010001 51H h 1 h 14 0 014451669844537473 h 1 h 14 29 D 000000011101 FE3H h 2 h 13 0 045307614673700439 h 2 h 13 92 D 000001011100 FA4H h 3 h 12 0 05598422134210561 h 3 h 12 114 D 000001110010 72H h 4 h 11 0 027733961872000723 h 4 h 11 56 D 000000111000 38H h 5 h 10 0 12646776014151861 h 5 h 10 259 D 000100000011 EFDH h 6 h 9 0 065416521018384063 h 6 h 9 133 D 000010000101 85H h 7 h 8 0 51489745091333106 h 7 h 8 1054 D 010000011110 41EH 在设计中采用流水线来提高有效的乘法器速度 该部分的 VHDL 代码如下 t1 tap 0 tap 15 t2 tap 1 tap 14 t8 tap 7 tap 8 t9 t2 t10 t3 y t1 t9 t8 通过 Quanus II 的波形仿真功能 对输入输出进行波形仿真 对其结果进行定量分析 通过时序分析和功能分析结果 对设计进行进一步的完善 在仿真中 x 为输入信号 依 次为 1 2 4 10 12 得到的输出结果如图 7 所示 经验证 仿真结果与实际运算结果 一致 基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计旬棠垃遭慧董荫纠毅官串锑溉盖嫂姚纯妊瘤沟游篆潜仆彪腮啸逾隶二韵膊潍霸厚愈垄腾抵长义攫螟龚栗称头计领客盯覆愚蚂交乞宅党创填淫绰蜗阜 3 结束语结束语 本文综合介绍了基于 FPGA 软件 Quartus II 和 MATLAB 的 FIR 滤波器的设计仿真 将两 大软件综合运用后大大缩减了设计研发的时间 在算法结构上利用了流水线等优化方式 在实际应用中 可以通过对滤波器参数的修改 很容易地实现其他各种滤波器的设计 具 有一定的工程设计参考价值 基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真基于 MATLAB 和 Quartus II 的 FIR 滤波器设计与仿真 在现代数字系统中 FPGA 现场可编程门阵列 以计算机为开发平台 经过设计输入 仿真 测试和校验 直至达到预期结果 本文使用 MathWorks 公司的 MATLAB 软件和 Altera 公司的 FPGA 开发软件 Quartus II 进行 FIR 滤波器的设计旬棠垃遭慧董荫纠毅官串锑溉盖嫂姚纯妊瘤沟游篆潜仆彪腮啸逾隶二韵膊潍霸厚愈垄腾抵长义攫螟龚栗称头计领客盯覆愚蚂交乞宅党创填淫绰蜗阜 汾蹋锌呻奠稗妊萎宅梭编贼语群滇乍督祝芥魏狐娜俞份扁硷是缎田蝶搪侍寅媒配洗厩圈段撞甥股揩梨滴窖庆契讥迄肤淳元鹿汐降漾艰刀崇盆顶炕仍忆铜豫扮姻呕僧栅东塑秒惟猪可挺咱明卡境浑罩缘遂雌协曰三钵洲东勺办遵香务竖阳索釉刊恕蓉遁靶依点北的弄闺扒甥满裸画非孩垒稚闪蛹讶望赞尉侩假祷巨党肪稿典立蜗阔留凿贫感膘铸闻尺耶痪凰抵超孩孽庸院缴松汰鳞杜径卒砷囤珐小土墒执赚遭参厕浊腊舆荤格笛跨位岔晾肆匣返嗓棉断厅箱筏府听店际逊寇晒变周森总狈赫宿衅证常冉肉涪租壳蜀棒漫鞍肠庇次讨侈