基于FPGA的抗混叠FIR数字滤波器的设计与实现[1]

1、第38卷第2期2010年4月浙江工业大学学报J OU RNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY收稿日期:2009206219作者简介:金燕(1964,女,浙江绍兴人,副教授,主要从事嵌入式系统、智能检测控制以及图像处理与识别的研究,E 2mail :jy .基于FP GA 的抗混叠FIR 数字滤波器的设计与实现金燕,王明,葛远香(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032摘要:提出了基于FP GA 的抗混叠FIR 数字低通滤波器的设计与实现.利用Matlab 和FDA Tool设计并确定FIR 滤波器的系数,通过Altera DSP

2、 Builder 和Matlab/Simulink 完成滤波器模块的设计和仿真,DSP Builder 可将设计好的滤波器模块直接转换成在FP GA 上实现滤波器所需的V HDL 语言,并在Quart us II 平台上进一步完成该滤波器的仿真和FP GA 实现.最后对叠加有混叠频率成分的的电网电压信号进行滤波仿真,结果表明,滤波器符合设计要求.这种利用DSP Builder 将Matlab 和Quart us II 设计工具结合起来进行FIR 数字滤波器设计的方法简单有效,所生成的滤波器模块可移植性好.关键词:FP GA ;FIR 数字滤波器;DSP Builder ;MA TLAB ;抗混

3、叠中图分类号:TM713文献标识码:A 文章编号:100624303(2010022*Design and realization of anti 2aliasing FIR Digital Filter B ased on FPGAJ IN Yan ,WAN G Ming ,GE Yuan 2xiang(College of Information Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310032,China Abstract :An anti 2aliasing low 2pass FIR Digital Fil

4、ter based on FPG A is designed and implemented.The parameters of FIR Filter is designed t hrough MA TL AB and FDA Tool.The filter model is designed and simulated by using Altera DSP Builder and Matlab/Simulink.The DSP Builder can convert t he designed filter model into V HDL language directly which

5、is needed to realize t he filter on FP GA and t he filter is simulated and implemented under FP GA on t he Quart us II platform.Finally ,in simulation experiment s ,t he signal of power line voltage wit h t he aliasing f requency component s superimpo sed is as t he inp ut of t he designed filter an

6、d t he result s of simulation show t hat t he filter satisfies t he design requirement.U sing DSP Builder ,t he met hod to design t he FIR Filter by combining Matlab/Simulink and Quart us II design tools toget her well is simple and effective.This kind of filter model has good portability.K ey w ord

7、s :FP GA ;FIR Digital Filter ;DSP Builder ;MA TL AB ;anti 2aliasing随着科学技术和国民经济的快速发展,电网中的各种干扰成分不断增加.非线性的负荷在系统中产生了大量的谐波,对电力系统和电力设备产生了极大的危害,恶化了电能质量,导致电力系统的经济效益受损1.对电网电气参数进行实时监测及对电网电压或电流的谐波进行分析,具有重要的现实意低通抗混叠滤波器的设计要求大幅降低.FIR 数字滤波器以其良好的线性特性、系统稳定等诸多优点,得到了广泛应用,也十分适合用于信号采集中的抗混叠滤波.目前,基于FP GA 的FIR 数字滤波器的设计及实现方

8、法主要有如下几种:(1用Matlab 设计滤波器系数,再用HDL 语言编程实现滤波器的各个模块,并在Quart us II 或MAX L +plus II 等FPG A 设计平台上进行综合325.这类方法需进行HDL 编程.设计周期相对下面第二种方法较长.(2利用FP GA 厂方或第三方推出的预先设计好的通用FIR 模块(也把这样的通用模块称之为IP 核,如Altera 公司的FIR Compiler 设计滤波器,然后用Altera DSP Builder 直接将其转换成V HDL ,最后用Quart us II 进行综合6.这种方法方便灵活,但需要用到IP 核,设计成本较高.而基于FP GA

9、 技术的抗混叠FIR 数字低通滤波器的设计与实现的新方法,既可以简化设计过程,又降低设计成本.即利用Matlab/FDA Tool 设计并确定FIR 滤波器的系数,运用DSP Builder 和Mat 2lab/Simulink 建立滤波器模型,利用Matlab 和Modelsim 进行仿真,并在Quart us II 平台上进一步完成该滤波器的仿真和FP GA 实现,生成FIR 数字滤波器模块.我们用这种方法设计了64阶滤波器,并对叠加有混叠频率成分的电网电压采样信号进行滤波仿真,结果表明滤波器符合设计要求.这种利用DSP Builder 将Matlab 和Quart us II 设计工具结

10、合来进行FIR 数字滤波器设计的方法简单有效.所生成的滤波器模块可移植性好,根据需要还可以推广到更高阶.1FIR 滤波器原理及指标1.1FIR 滤波器原理FIR 滤波器的传递函数为H (z =N -1k =0h (k z-k(1可得FIR 滤波器的差分方程7为y (n =h (0x (n +h (1x (n -1+h (N -1x (n -N -1=N -1k =0h (k x (n -k =x (n h (n (2其中:k 为FIR 的滤波器的抽头数;h (k 为第k 级抽头系数(单位脉冲响应;x (n -k 为延时k 个抽头的输入信号.1.2FIR 滤波器设计指标在实际电力系统中,电网电压

11、信号谐波测量范围一般为119次.设所测量的最高次谐波为19次,即频率为950Hz ,采用过采样,采样频率为6400Hz.根据“电能质量,公用电网谐波”国家标准(G B/T 14549,当谐波电压幅值小于基波幅值的3%时,测量误差要求小于基波幅度的0.15%,这就要求抗混叠滤波器的通带波动小于0.15%,阻带衰耗要大于|20lg (0.15%|(考虑到加一定裕量,取60dB .在A/D 采样之前先用模拟滤波器滤除64次(3200Hz 以上的谐波成分,以确保A/D 采样后信号不产生混叠,并保证19次谐波以下滤波器的平直特性.之后通过数字重抽取将采样频率降为6400Hz 的一半,即3200Hz ,以

12、减少之后谐波分析的运算量,为了消除重抽取过程中的信号混叠,需要在重抽取运算前进行数字抗混叠滤波,即需要滤除32次(1600Hz 64次(3200Hz 谐波,这可用FIR 数字低通滤波器滤除,同样要求保证19次谐波以下滤波器的平直特性.这样选定第2032次谐波点(10001600Hz 为过渡带,1600Hz 以上为阻带.由此可得FIR 滤波器的设计指标:通带截止频率:fP=1000Hz ;阻带截止频率:f S =1600Hz ;采样频率:F S =6400Hz ;阻带最小衰减S 60dB.使用DSP Builder 可以方便地在图形化环境中设计FIR 数字滤波器,且滤波器系数的计算可以借助Mat

13、lab 强大的计算能力和滤波器设计工具来完成8.根据表1的阻带衰耗指标,选布莱克曼窗,过渡带宽B =W S -W P =2=0.1875,滤波器阶数N =12/B =64;输入序列位宽为9位.表1窗函数的基本参数T able 1B asal parameter of window ed function窗函数第一旁瓣相对于主瓣衰减/dB过渡带宽加窗后阻带最小衰减/dB矩形窗-134/N 21三角窗-258/N 25汉宁窗-318/N 44海明窗-5710/N 80391第2期金燕,等:基于FP GA 的抗混叠FIR 数字滤波器的设计与实现2系数的计算与量化采用Matlab 的FDAtool (

14、Filter Design &A 2nalysis Tool 确定FIR 低通滤波器的系数,采用布莱克曼窗函数方法设计.FDA Tool 是MA TL AB 的信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具9.FDAtool 计算出的值是一个有符号的小数,而DSP Builder 下建立的FIR 滤波器模型需要一个整数作为滤波器系数,所以必须进行量化,滤波器量化前后的系数如表2所示,量化前的幅频响应和相频响应如图1所示.表2滤波器量化前后的系数T able 2Filter coeff icients before and after qu antif ication输入 端量化前系数量化后系

15、数输入端量化前系数量化后系数输入端量化前系数量化后系数输入端量化前系数量化后系数-1h32153h482h64图1量化前的幅频响应和相频响应Fig.1Magnitude &phase response before quantization3FIR 滤波器的模型设计及生成DSP Builder 是Altera 推出的一个数字信号处理(DSP 开发工具,通过DSP Builder ,把Matlab/Simulink 设计工具和Quart us II 设计工具有效结合起来.滤波器的硬件模块是基于DSP Builder 设计的.在Matlab/Simulink 中完成设计输入,建立一个mdl

16、 模型文件,用图形方式调用Altera/DSP Builder和Simulink 库中的其他模块(Block ,构成系统级或算法级设计框图.64阶FIR 数字滤波器可由8个8阶FIR 数字滤波器构成,根据直接I 型FIR 滤波器的基本工作原理.首先在DSP Builder 中设计一个直接I 型的8阶FIR 滤波器作为一个子系统,然后在64阶滤波器设计中直接调用,组成一个直接I型64阶抗混叠FIR 滤波器系统.并把前面算好的系数添加到滤波器中,如图2所示.在Matlab 的Simulink 环境下,直接I 型64阶抗混叠FIR 滤波器滤波前后的仿真波形如图3所示.图3(a 是输入到FIR 滤波器

17、的基波(50Hz ,220V 叠加33次(1650Hz ,11V 、39次(1950Hz ,8V 谐波的正弦混合波,图3(b 是FIR 输出的波形,可以看到33次和39次谐波分量被滤除掉了.使用Modelsim 对FIR 滤波器进行R TL 级仿真的结果与此一致.另外也对其他高次谐波的正弦混合波进行了仿真验证,都达到了好的滤波效果.在Matlab 中仿真验证达到要求后,就需要把设491浙江工业大学学报第38卷计转换到硬件上加以实现,通过DSP Builder 可以获得针对特定FP GA 芯片的HDL 代码.点击图2中的“SignalCompiler ”模块图标,“SignalCompiler

18、”会对模型先进行分析,检查有无错误,无错误会继续进行下面的设置,设置好“Device ”和“Synt hesis ”后通过点击“SignalCompiler ”窗口右边的4个按钮,逐步完成模型文件的转换、综合、适配和编程器件的操作10 .591第2期金燕,等:基于FP GA 的抗混叠FIR 数字滤波器的设计与实现在Quart us II软件中对V HDL程序文件进行编译与仿真,最后生成FIR滤波器模块,如图4所示,它具有较好的可重用性,可移植性.图4生成的FIR滤波器模块Fig.4The created FIR Filter model4结论利用DSP Builder技术,将Matlab/Si

19、mulink设计工具和Quart us II设计工具有效地结合,对抗混叠FIR滤波器模块进行硬件设计,给出了基于FP GA和Matlab的FIR滤波器的实现流程,借助于Matlab/Simulink和Modelsim进行仿真分析,将DSP系统设计转换为HDL文件,进行系统级的设计.实验结果表明,这种FIR抗混叠数字滤波器的设计方法简单有效,具有设计周期短、设计灵活性强、可移植性好、运算速度快、占用FP GA逻辑资源少等优点,尤其适用于阶数比较高的滤波器设计.参考文献:1郭宏波,谭俊源.谐波对变压器的影响及其抑制措施分析J.电力建设,2008,29(11:35237.术J.1999(4:3723

20、9.3孙耀奇,高火涛,熊超,等.基于Matlab和FP GA的FIR数字滤波器设计及实现J.现代电术子技,2008,274(11:89292 4张海军.基于FP GA的16阶FIR滤波器的设计与实现J.安徽大学学报:自然科学版,2009,33(1:62265.5周亚凤,李跃华,朱昊.基于FP GA的16阶FIR滤波器的设计J.南京工业大学学报,2005,27(1:46250.6杨丽杰,崔葛瑾.基于FP GA的FIR滤波器设计方法的研究J.东华大学学报:自然科学版,2006,32(6:93296.7胡广书.数字信号处理M.2版.北京:清华大学出版社,2003.8Altera Corporatio

21、n.DSP Builder reference manualEB/OL.9飞思科技产品研发中心.MA TLAB7辅助信号处理技术与应用M.北京:电子工业出版社,2005.10江国强.SOPC技术与应用M.北京:机械工业出版社,2006.(责任编辑:刘岩(上接第148页参考文献:1ZU MRIYE A.Application of biosorption for t he removal oforganic pollutant s:a reviewJ.Pr2ocess Biochemistry,2005, 40:99721026.2NAMASIVA YAM C,MUNIASAM Y N,GA Y

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