基于EDA技术的并行FIR滤波器设计

1、2011年第2期煤矿机电23基于EDA技术的并行FIR滤波器设计彭惠芹（大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）分析了FIR滤波器的结构特点和基本原理，探讨了如何优化硬件资源利用率、提高运算设计了一种基于EDA技术的17阶并行FIR滤波器。经系统分析与仿真验速度等工程实际问题，摘证，该滤波器符合设计要求。关键词：FIR滤波器；EDA技术；Matlab仿真中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：10010874（2011）02002303要：DesignofParallelFIRFilterBasedonEDATechniquePENGHui-qin（SchoolofCoalEngin

2、eering，DatongUniversity，Datong037003，China）Abstract：AnalysesthestructuralfeaturesandfundamentalprinciplesofFIRfilter，discussesthepracticalengineeringproblemssuchasthewaysofoptimizinghardwareresourcesutilizationratio，improvingarithmeticspeed，designsone17orderparallelFIRfilterbasedonEDAtechniqueThisfi

3、ltermeetsthedesignrequirementsbysystemanalysisandsimulationtestKeywords：FIRfilter；EDAtechnique；Matlabsimulation程为：M1概述FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器是数字信y（n）=bix（nl）i=1（1）号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，在通信、图模式识别等领域都有着广泛的应用。像处理、FIR滤波器的实现有采用专用的DSP芯片和采用集成电路两种方法，前者当滤波器的系数增加或字长增长时，计算时间会成倍增加，降低了最大有

4、效而后者因集成电路的通用性，很难满足数据采样率，设计者独特的要求。EDA技术的发展提供了实现数字滤波器的新方法，借助于EDA开发工具的现场可编程门阵列FPGA系列具有密度大、运算速度快、现场可编程等特点，可以实现专用集成电路。本文基于EDA技术研究了一种采用FPGA实现的8位17阶并行FIR滤波器的设计方法。2FIR滤波器结构及原理FIR滤波器有直接型、级联型和频率抽样型3种基本结构，其中直接型是最常见的结构，其差分方式中bi系数与滤波器的脉冲响应是直接相关即bi=h（l）。由于脉冲响应是有限长的，故FIR的，滤波器是指有限冲激响应滤波器，式（1）可改写为：My（n）=h（l）x（nl）i=1

5、（2）FIR滤由式（2）可知，式中M是滤波器的阶数，波器的输出就是x（n）与单位脉冲响应h（l）的直接卷积。这种结构也称为抽头延迟线结构，在实现的过程中，每一抽头的信号被适当的系数（脉冲响应）加权，然后所得的乘积相加就得到输出y（n）。再将其进行Z变换，得出下面的输入、输出关系：MMY（z）1H（z）=biZ=h（l）Z1（3）X（z）i=1i=1在硬件实现时，可以用几个不同的器件来实现，即：延时器、乘法器和加法器。3FIR滤波器的设计方法及优化（1）设计方法FIR滤波器设计方法是以直接逼近所需离散时间系统的频率响应为基础，常用的设计方法包括窗等同纹波法和借助Matlab设计FIR滤波函数法、

6、器。1）窗函数法窗函数法的设计重点是如何选择合适的窗函数和理想滤波器。其设计FIR滤波器常用的窗函数有：矩形窗函数、三角窗（Bartlett）函数、汉宁（Han-ning）窗函数、海明（Hamming）窗函数、布莱克曼（Blackman）函数和凯塞（Kaiser）窗函数。窗函数的选择原则是：a具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。b旁瓣幅度下降速度要快，以利于增加阻带衰减。c主瓣宽度要窄，以获得较陡的过渡带。2）等同纹波法对于线性相位FIR滤波器来说，若有可能导得的一组条件证明，在最大近似误差最小化的意义下，其近似误差在通带和阻带上都是均匀分布的，该设计为最优的，则具有这种性质的滤波器便称为

7、等同纹波滤波器。等同纹波法的优点在于通频带和抑制带偏差可以分别指定，且实现相同指标的滤波器时所用的滤波器阶数较小。3）借助Matlab设计FIR滤波器在Matlab的SIGNALPROCESSINGTOOLBOX中，有一种专门的数字滤波器设计软件模块EDA，它可以采用多种方法设计FIR滤波器，包括窗函数法和等同纹波法。只要在输入设计要求和设计方法选择后，便可计算出各阶系数，不仅以图形的直观方式显示幅频、相频、冲击响应和零极点图，而且还可以把各阶系数以二进制补码的形式导出到文本文件中去，方便系数的转换。对于线性相位因果FIR滤具有中心对称特性，即：波器，h（i）=h（M1i）（4）整数化，得到其

8、参数，图1是FIR滤波器的电路框RESET为复位清零信图，其中CL为输出时钟脉冲，DI和DO分别为输入和输出信号。号，令：s（i）=x（i）x（M1i），对于偶对称，可得：M1M1y（n）=h（i）x（ni）i=0=h（i）s（ni）i=0（5）根据系统设计要求的输出信号范围、采样频率和截止频率等要求，通过Matlab仿真和系数调整并28煤矿机电2011年第2期高精度电子称称量试验前后输送带样品和气瓶的重量，最小分度达到5g。其中样品重量作为试验原始数据记录；气瓶重量仅在标定时作为自检标准与丙烷气流量控制系统比较，以保证流量控制系统的准确性和稳定性。5）点火装置3kV高压点火装置，通过操作台的

9、远程控制点火，提高了试验系统的安全性。6）计算机数据采集系统利用IDE自主开发监测软件，建立人机界面，通过通讯的方式将试验数据采集到计算机中，在显示器上显示试验的实时状态，并在试验完成后出具试验报告。采集系统界面见图4。7）试验时间的检测记录数显计时器准确记录试验时间。4结语丙烷巷道燃烧试验装置的控制系统通过技术改造后，经过一年的实际试运行检验，运行可靠，满足设计要求。该系统现已通过有关部门的验收并投入了使用。参考文献：1MT914-2008，S煤矿用织物整芯阻燃输送带2何衍庆，俞金寿集散控制系统原理及应用M北京：化学工2002业出版社，作者简介：张宇光（1984），男，助理工程师。2006年

10、毕业于西安现在煤炭科研究总院上海分院从事煤矿电交通大学信息工程专业，器的设计开发工作。（收稿日期：20101010；责任编辑：姚克）檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上接第24页）表1输出结果yn理论值（Matlab卷积值/512）2320334805251375607441543125164484435289426952073471348177012641815248912124699并行FIR滤波器理论值和仿真结果仿真结果n输出结果yy0y1y2y3y4y5y6y7y8y9y10y11y12y13y14y15y16y17理论值（Matlab卷积值/512）385982469989121152424777142489121246993859824699891211524247771524891212469938598246995参考文献：结语1刘欲晓，方强，黄苑宁EDA技术与VHDL电路开发应用研究M北京：电子工业出版社，20092周亚凤，李跃华，朱昊基于FPGA的16阶FIR滤波器的设计J南京工业大学学报，2005（1）3刘朋全基于FPGA的FIR数字滤波器的设计和实现D西2006安：西北工业大学，作者简介：彭惠芹（1974），女，实验师。2004年毕业于太原理工大学（硕