基于FPGA的FIR数字带通滤波器的仿真设计.pdf

在数字信号处理领域，有限冲激响应（FIR）滤波器是一种常用的数字滤波器设计。与无限冲激响应（IIR）滤波器不同，FIR滤波器具有严格的线性相位特性，因此在处理音频、图像等高保真信号时有广泛的应用。设计FIR滤波器的常见方法包括窗函数设计法、频率抽样设计法和最优设计法。在这些方法中，窗函数法因其简单有效而被广泛采用。 FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可通过编程实现专用电路功能的集成电路。FPGA在数字信号处理中具有高速处理、实时响应、低成本和高度灵活性的特点，逐渐成为实现数字信号处理的新趋势。与数字集成电路和DSP芯片相比，FPGA具有更高的灵活性和并行处理能力，可以用来取代通用DSP芯片或作为其协处理器工作。 MATLAB是一种强大的数学计算和仿真软件，经常用于信号处理领域的理论验证和设计仿真。在FIR滤波器设计中，MATLAB可以帮助设计者通过编程来求得滤波器的系统函数，并获得满足特定性能指标的系数向量。设计者可以通过调整窗函数、滤波器阶数等参数来满足不同的设计需求。 窗函数法的基本思想是利用窗函数截取理想滤波器的单位脉冲响应，以获得有限长度的实际FIR滤波器响应。理想的FIR滤波器具有无限长的单位脉冲响应，而实际的FIR滤波器则需要截取一定长度的响应来实现。通过窗函数对理想滤波器进行截取，可以控制过渡带宽度和阻带衰减等参数。 在本文中，作者林平凯通过MATLAB完成了FIR数字带通滤波器的前期参数设计，采用了Xilinx_ISE软件进行FPGA的参数设置，最终使用ModelSim工具进行时序仿真。仿真过程中，通过观察输出结果和进行修正优化，最终得到满足设计要求的滤波器参数。 设计FIR数字带通滤波器的步骤可以概括为以下几个阶段： 1. 利用MATLAB软件工具进行FIR滤波器的前期参数设计。这个阶段主要包括确定滤波器的理想特性、选择合适的窗函数、计算滤波器的系数等。 2. 使用Xilinx_ISE设置FPGA参数，包括滤波器的阶数、系数的位数和输入信号的位数等。在这个阶段，FPGA设计工程师需要将MATLAB仿真得到的参数映射到FPGA上，以确保硬件能按照预期工作。 3. 利用ModelSim进行时序仿真，这是FPGA设计中非常关键的一个步骤。通过时序仿真，设计者可以验证FPGA实现的FIR滤波器是否按照预期工作，并根据仿真结果进行必要的优化和调整。 4. 根据仿真结果对FPGA设计进行修正优化。这可能涉及调整参数、优化逻辑设计、减少资源使用或提高性能等方面。 文章还提到了使用MATLAB设计FIR滤波器的细节，包括如何选择窗函数、计算滤波器系数等。使用标准的响应加窗设计函数可以得到系统函数，并对结果进行频率响应分析。通过调整相关参数，可以得到通带几乎没有衰减、阻带有足够衰减的滤波器设计，满足特定的技术要求。在本案例中，通带的最大衰减为1dB，阻带的最小衰减为40dB，均符合设计要求。通过频率响应分析和相位分析，可以验证设计的正确性，确保通带内相位符合线性要求。