基于Matlab和FPGA的FIR数字滤波器设计及实现

基于FIR数字滤波器的原理和层次化、模块化设计思想，结合Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片，提出了FIR数字滤波器的实现硬件方案，给出了采用Matlab、QuartusⅡ设计及实现32阶低通FIR滤波器的方法步骤，仿真及实际测试结果验证了设计方案的正确性，与传统的数字滤波器相比，本文设计的FIR数字滤波器具有更好的实时性、灵活性和实用性。 【基于Matlab和FPGA的FIR数字滤波器设计及实现】 FIR（Finite Impulse Response，有限冲激响应）数字滤波器是数字信号处理领域中的重要组成部分，广泛应用于电子通信系统，以实现信号的滤波、降噪等功能。FIR滤波器的特点在于其线性相位特性，这使得它们在处理信号时能保持时间上的对称性，对于实时处理和系统设计具有重要意义。 在设计FIR滤波器时，通常需要计算滤波器的系数。借助Matlab工具箱，如Filter Design工具，设计师可以选择合适的窗函数（例如海明窗），通过设置参数来生成满足特定性能指标的滤波器系数。计算出的系数通常以十进制形式给出，为了适应FPGA的硬件实现，需要将其转换为定点二进制小数形式，并根据FPGA的精度要求进行调整。 本设计中，采用Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片，利用其并行处理能力来实现FIR滤波器，以提高系统的实时性和灵活性。FIR滤波器的硬件实现通常采用层次化、模块化设计思路，将滤波器划分为多个功能模块，如移位相加单元、乘法器、输出相加和截位输出等。每个模块独立设计和验证，然后通过Verilog HDL语言或原理图输入方式进行互联和综合，最终形成完整的FIR滤波器系统。 对于偶对称的FIR滤波器，其结构可以直接表示为一个移位加法网络。在32阶FIR滤波器中，输入数据通过移位寄存器，利用滤波器的对称性，将数据首尾相加，这个过程可以通过Verilog HDL编程实现。同时，需要添加额外的寄存器以消除时钟边沿产生的毛刺，并扩展数据位宽以防止溢出。 乘法器部分，由于FIR滤波器的对称性，只需要16个乘法器进行系数与输入数据的乘法运算。这些乘法器可以通过调用FPGA库中的参数化元件来构建。乘法器的输出将与移位相加单元的输出相结合，完成滤波过程。 在设计完成后，使用QuartusⅡ软件进行仿真和测试，验证设计的正确性。通过输入阶跃信号进行仿真，观察输出数据是否符合预期。例如，当输入为8191时，输出应为8191*2=16382，实际仿真结果与理论计算相符，表明设计的FIR滤波器能够正常工作。 与传统的数字滤波器实现方式（如DSP）相比，基于FPGA的FIR滤波器设计具有更高的实时处理能力和更强的可配置性。这种设计方法不仅可以灵活调整滤波器的参数，还可以通过FPGA的可重构特性适应不同的应用需求，因此在实际工程中具有很高的实用价值。