基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真

采用改进并行分布式算法设计了一种16抽头FIR数字低通滤波器，首先用Matlab工具箱中的FDATool设计滤波器系数，然后使用硬件描述语言Verilog HDL和原理图，实现了子模块和系统模块设计，在Matlab与QuartusII中对系统模块进行联合仿真。仿真结果表明，设计系统性能稳定，滤波效果良好，且实用性较强。 《基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真》 在数字信号处理领域，FIR（Finite Impulse Response）数字滤波器因其线性相位特性与稳定性而在通信、图像处理、模式识别等多个领域得到广泛应用。本设计采用了一种改进的并行分布式算法，以实现16抽头的FIR数字低通滤波器。通过Matlab的FDATool设计滤波器系数，接着利用Verilog HDL硬件描述语言和原理图设计滤波器的子模块和系统模块，并在Matlab与QuartusII环境中进行联合仿真，验证了设计的稳定性和优良的滤波效果。 FIR数字滤波器的优势在于其冲激响应是有限的，没有输出到输入的反馈，确保了系统的稳定性。同时，由于其能精确实现任意幅频特性，特别适用于对相位要求严格的场景。在实时处理需求高的应用中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其高速、高精度和灵活性成为理想的实现平台。与传统的DSP芯片或专用芯片相比，FPGA在实现FIR滤波器时能更高效地利用硬件资源。 设计过程中，关键在于减少乘法运算带来的资源消耗。分布式算法（Distributed Arithmetic, DA）是一种有效的策略，它将乘法转换为查表和加法操作，从而加速运算过程。本文采用的改进并行分布式算法在全并行算法的基础上，通过引入倍频模块减少查找表（LUT）的数量，达到节省资源和保持运算速度的平衡。 具体实现步骤包括：使用Matlab的FDATool确定滤波器的系数，如文中所设定的15阶低通滤波器，参数包括Kaiser窗、0.5的Beta值、10 MHz的采样频率、1.5 MHz的截止频率以及12位的输入数据宽度和滤波器系数宽度。系数量化为定点数后，将16抽头的滤波器优化为8抽头，利用FPGA内部的移位寄存器、查找表和移位累加模块来实现滤波运算。时钟控制模块确保了整个系统的同步运行。 FPGA实现的关键在于如何高效利用查找表和流水线寄存器。输入数据在移位寄存器中预相加，然后通过相同位的地址查表并进行移位累加。最高位的特殊处理是为了得到正确的滤波输出。通过这种方式，设计出的FPGA滤波器系统在性能和资源利用上达到了良好的平衡。 总结来说，本设计结合了Matlab的便利性和FPGA的灵活性，利用改进的并行分布式算法，成功地实现了16抽头FIR数字低通滤波器。通过联合仿真验证，系统表现出稳定的性能和良好的滤波效果，证明了该方法在FPGA实现数字滤波器方面的实用价值。这种设计思路为未来高性能、低功耗的FIR滤波器设计提供了新的参考和实践基础。