基于Sys t em Gener at or 的数字滤波器设计与实现

基于System Gener at or 的数字滤波器设计与实现

黄磊

（黄石理工学院，湖北黄石435003）

Abstract:数字滤波器因其良好的数字特性和模块化的结构,易于采用VLSI 实现。本文介绍了一种采用XILINX 公司的 SPARTON2 系列的FPGA 芯片完成FIR 滤波器的设计流程,利用相应的EDA(电子设计自动化)工具软件设计并完成软硬件仿真与验证。结果表明该方案可以达到设计要求。

关键词:有限常冲激响应; 现场可编程门阵列; System Generator For dsp

1. 引言

   数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，并且正在讯速的代替传统的由RLC 元器件和运算放大器组成的模拟滤波器，逐渐成为一种主要的DSP 操作。而有限冲激响应(FIR) 滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性[1]，同时它可以采用十分简单的算法实现，但采用硬件描述语言设计(VHDL 或VerilogHDL)数字滤波器时，由于硬件程序的电路优化比较因难，从而使滤波器性能较差。本文使用了一种基于system generator for dsp 的FIR 滤波器设计方法,以实现一个16 阶带通FIR 数字滤波器为例，并在 Xilinx 的XC2S200E 开发板上验证了该数字滤波器电路工作正确可靠，能满足设计要求。

2. FIR滤波器介绍
3. FIR数字滤波器的System Generator For DSP 设计
   1. System Generator For DSP 的特点

      Xilinx 公司开发了基于Matlab 的System Generator For DSP 工具。System Generator For DSP 是Simulink 中一个基于FPGA 的信号处理建模和设计工具。该工具可以将一个DSP 系统表示为一个高度抽象的模块，并自动将系统映射为一个基于FPGA 的硬件方案, 而且System Generator For DSP 实现这些功能并没有降低硬件性能。此外它还能自动生成硬件描述语言, Modelsim 测试程序，支持软硬件仿真, 且支持用户创建的simulink 模块, 并能在XILINX FPGA 上自动实现硬件系统[2]。

   2. FIR 滤波器模型建立

      根据FIR 滤波器原理，可以利用FPGA 来实现FIR 滤波电路，在Matlab 中，我们可以通过Simulink 的库浏览器使用Xilinx blockset 库中的模块，Xilinx blockset 库中的模块可以与Simulink 其它库中的模块自由组合。Xilinx blockset 库中最重要的模块是System Generator For DSP，利用该模块完成系统级设计到基于FPGA 的底层硬件设计的转换工作。可以在System Generator For DSP 模块的属性对话框中选择目标FPGA 器件、目标系统时钟周期等选项。System Generator For DSP 将Xilinx blockset 中的模块映射为IP 库中的模块，接着从系统参数(例如采样周期) 推断出控制信号和电路，再将Simulink 的分层设计转换为 VHDL 的分层网表，之后，System Generator For DSP 即可调用Xilinx CORE Generator 和VHDL 模拟、综合、实现工具来完成硬件设计。

   3. 基于System Generator For DSP 的滤波器仿真

      输入信号两个不同的信源(White Noise 信源模块和 Impulse 信源模块)来仿真此滤波器。

   4. 执行FPGA 器件在环路中的硬件仿真

      将XC2S200E 开发板通过JTAG 连接器的接到计算机的并口，在Simulink 窗口点击run 按钮进行硬件在环路中的仿真，其频谱和波形仿真结果在输出屏幕上显示...

      从FIR 滤波电路的硬件与软件仿真结果中可以看出，该方法在满足相同指标的情况下，得出的两种仿真结果参数值完全吻合，也验证了System Generator For DSP 软件在分析设计中具有非常高的精确度，最后应用XC2S200E 开发板对滤波器进行了硬件仿真, 结果表明达到了指标要求。

4. 结束语

   用信号发生器产生所需要的信号，就可以示波器上看到滤波以后的结果，需要设计不同的滤波电路时，仅修改滤波器模型参数文件就可以实现。可见在为数字滤波器做 FPGA 的设计时, 采用System Generator For DSP 作为设计工具能更快速、有效地设计实用数字滤波器。