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IIR數(shù)字濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)(圖)

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作者:魏國華 時間:2007-02-06 來源: 收藏
  摘 要:本文介紹了一種采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)在fpga上實(shí)現(xiàn)任意階iir數(shù)字濾波器的方法。此設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好,便于調(diào)節(jié)濾波器的性能,可以根據(jù)不同的要求在不同規(guī)模的fpga上加以實(shí)現(xiàn)。
  關(guān)鍵詞:iir數(shù)字濾波器;級聯(lián)結(jié)構(gòu);fpga

  iir數(shù)字濾波器在很多領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用。與fir數(shù)字濾波器相比,它可以用較低的階數(shù)獲得高選擇性,所用存儲單元少,經(jīng)濟(jì)而效率高,在相同門級規(guī)模和相同時鐘速度下可以提供更好的帶外衰減特性。下面介紹一種在fpga上實(shí)現(xiàn)iir數(shù)字濾波器的方法。


iir數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)
  任意階的iir濾波器可通過數(shù)學(xué)分解,表示為:

  
  其中為如下的二階形式:

  
  這樣就可以將任意階的iir濾波器通過若干二階網(wǎng)絡(luò)(也稱為濾波器的二階基本節(jié))級聯(lián)起來構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,代表第i級的二階網(wǎng)絡(luò)。
  
  對于每一個二階基本節(jié),可以轉(zhuǎn)置直接ii型結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn),如圖2所示。

  采用這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)iir濾波器的優(yōu)點(diǎn)是每一個基本節(jié)只是關(guān)系到濾波器的某一對極點(diǎn)和一對零點(diǎn),調(diào)整系數(shù)a0i、a1i、a2i,只單獨(dú)地調(diào)整了濾波器第i對零點(diǎn)而不影響其他任何零、極點(diǎn)。同樣,調(diào)整b1i、b2i系數(shù)、也只單獨(dú)調(diào)整了第i對極點(diǎn)。因此,這種結(jié)構(gòu)便于準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)濾波器的零、極點(diǎn),也便于調(diào)整濾波器的頻率響應(yīng)性能。這種結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點(diǎn)是存儲單元需要較少,在硬件實(shí)現(xiàn)時,可以用一個二階節(jié)進(jìn)行時分復(fù)用,從而降低對fpga硬件資源的要求。


iir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)
  利用matlab信號處理工具箱中的濾波器設(shè)計(jì)和分析工具(fdatool)可以很方便地設(shè)計(jì)出符合應(yīng)用要求的未經(jīng)量化的iir濾波器。需要將matlab設(shè)計(jì)出的iir濾波器進(jìn)一步分解和量化,從而獲得可用fpga實(shí)現(xiàn)的濾波器系數(shù)。

  由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu),因此如何將濾波器的每一個極點(diǎn)和零點(diǎn)相組合,從而使得數(shù)字濾波器輸出所含的噪聲最小是個十分關(guān)鍵的問題。為了產(chǎn)生最優(yōu)的量化后的iir數(shù)字濾波器,采用如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。
  (1)首先計(jì)算整體傳遞函數(shù)的零極點(diǎn);
  (2)選取具有最大幅度的極點(diǎn)以及距離它最近的零點(diǎn),使用它們組成一個二階基本節(jié)的傳遞函數(shù);
  (3)對于剩下的極點(diǎn)和零點(diǎn)采用與(2)相類似的步驟,直至形成所有的二階基本節(jié)。

  通過上面三步法進(jìn)行的設(shè)計(jì)可以保證iir數(shù)字濾波器中n位乘法器產(chǎn)生的量化舍入誤差最小。

  為了設(shè)計(jì)出可用fpga實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器,需要對上一步分解獲得的二階基本節(jié)的濾波器系數(shù)進(jìn)行量化,即用一個固定的字長加以表示。量化過程中由于存在不同程度的量化誤差,由此會導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差,嚴(yán)重時會使iir濾波器的極點(diǎn)移到單位圓之外,系統(tǒng)因而失去穩(wěn)定性。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù),采用以下步驟進(jìn)行量化。

  (1)計(jì)算每個系數(shù)的絕對值;
  (2)查找出每個系數(shù)絕對值中的最大值;
  (3)計(jì)算比此絕對值大的最小整數(shù);
  (4)對(3)的結(jié)果取反獲得負(fù)整數(shù);
  (5)計(jì)算需要表示此整數(shù)的最小位數(shù);
  (6)計(jì)算用于表示系數(shù)值分?jǐn)?shù)部分的余下位數(shù)。

  除了系數(shù)存在量化誤差,數(shù)字濾波器運(yùn)算過程中有限字長效應(yīng)也會造成誤差,因此對濾波器中乘法器、加法器及寄存器的數(shù)據(jù)寬度要也進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。


iir數(shù)字濾波器的vhdl描述
  由上一節(jié)設(shè)計(jì)出來的iir數(shù)字濾波器可以進(jìn)一步用vhdl語言加以描述,通過編譯、功能仿真、綜合和時序仿真之后就可以在fpga上實(shí)現(xiàn)了。由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu),每一個二階基本節(jié)的vhdl描述都是類似的,只是濾波器的系數(shù)有所不同,下面著重討論二階基本節(jié)的vhdl描述。

  采用vhdl描述的二階基本節(jié)的頂層結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)在執(zhí)行單元內(nèi)進(jìn)行處理。執(zhí)行單元內(nèi)部包含算術(shù)和邏輯單元以及一些寄存器;算術(shù)和邏輯單元主要由串行乘法器和累加器組成;存儲器包括工作ram和系數(shù)rom兩部分,分別用于存放計(jì)算的中間結(jié)果和濾波器的系數(shù);存儲器和執(zhí)行單元通過內(nèi)部總線相連接;控制模塊包括程序rom和程序控制單元,程序rom中存放有濾波算法的程序,程序控制單元用于解釋指令并為數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生控制信號。

  此結(jié)構(gòu)既可以接收串行輸入的數(shù)據(jù),也可以接收并行輸入的數(shù)據(jù),通過sel進(jìn)行設(shè)置。外部cpu可以通過read信號來訪問濾波器的計(jì)算結(jié)果,另外,外部cpu也可以通過地址總線a[3:0]對內(nèi)部的存儲器進(jìn)行訪問,用write信號對濾波器系數(shù)進(jìn)行寫操作,這樣外部cpu就可以根據(jù)自己的需要對濾波器進(jìn)行配置,靈活地實(shí)現(xiàn)各種功能。

  各信號的含義如下。
  clk:系統(tǒng)時鐘;
  res:異步全局復(fù)位信號,低有效;
  sdata:串行輸入數(shù)據(jù);
  pdata:并行輸入數(shù)據(jù);
  sel:設(shè)置輸入數(shù)據(jù)為并行還是串行;
  read:讀信號,低有效;
  write:寫信號,低有效;
  sres:同步復(fù)位信號,高有效;
  clki:外部cpu時鐘;
  a[3:0]:外部cpu訪問內(nèi)部寄存器的地址總線;
  out:輸出數(shù)據(jù)。

  內(nèi)部算術(shù)與邏輯單元是整個濾波器的核心,它的結(jié)構(gòu)如圖4所示。計(jì)算過程是,x、y為輸入數(shù)據(jù),通過選擇器進(jìn)入乘法器,算術(shù)與邏輯單元從系數(shù)rom中讀取濾波器的系數(shù)用以輸入數(shù)據(jù)相乘,相乘的結(jié)果與前一步的結(jié)果相加進(jìn)入累加器,累加器讀取上一步計(jì)算的中間結(jié)果a并計(jì)算,最后將此步計(jì)算的結(jié)果m存入到ram中去。


結(jié)語
  本文介紹了一種采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)在fpga上實(shí)現(xiàn)iir數(shù)字濾波器的方法。在實(shí)際使用中,可以根據(jù)不同精度要求,方便地對該iir濾波器進(jìn)行修改以滿足不同的指標(biāo)要求,靈活地組成任意階不同類型的濾波器。同時,在系統(tǒng)運(yùn)行中,外部cpu可以靈活修改濾波器系數(shù),改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng),滿足特定的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)
1 王世一.數(shù)字信號處理.北京理工大學(xué)出版社. 1997
2 bernard gold, lawrence r. rabiner. "theory and application of digital signal processing". prentice-hall. inc., 1975
3 dimitris g. manolakis, john g. proakis. "digital signal processing: principles, algorithms, and applications". macmillan publishing company. 1992


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