【正文】 artus Ⅱ”： Quartus 編譯適配，生成編程文件。 雙擊模型中的“ SignalCompiler”模塊，會出現(xiàn)如圖 所示的對話框，點(diǎn)擊“ Analyze” (分析 )按 鈕后， SignalCompiler 就會對模型進(jìn)行分析，檢查模型有無錯誤，并在 Matlab 主窗口彈出對話框給出相關(guān)信息。 圖 建立新模型 圖 4 4階 FIR濾波器節(jié) 18 在 Simulink 中的仿真并生成 VHDL 代碼 完成模型設(shè)計之后，可以先在 Simulink 中對模型進(jìn)行仿真，可以通過Simulink 中的 示波器 模塊查看各個步驟的中間結(jié)果。 16 階 FIR 濾波器 17 模型的建立 根據(jù) FIR 濾波器原理，可以利用 FPGA 來實(shí)現(xiàn) FIR 濾波電路。 FIR 濾波器原理 對于一個 FIR 濾波器系統(tǒng)，它的沖激響應(yīng)總是有限長的，最具體的 FIR 濾波器可用下式表示： 式中： r是 FIR 濾波器的抽頭數(shù)； x(nr)是延時， r是 抽頭的輸入信號； b(r)是第 r 級抽頭數(shù) (單位脈沖響應(yīng) )； M 是濾波器的階數(shù)； y(n)表示濾波器的輸出序列。由于程序的編寫往往不能達(dá)到良好優(yōu)化而使濾波器性能表現(xiàn)一般，而采用調(diào)試好的 IP Core 需要向 Altera 公司購買。這些優(yōu)點(diǎn)使 FIR 濾波器 成為設(shè)計工程師的首選。整個設(shè)計流程將系統(tǒng)描述和硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融為一體，充分顯示了現(xiàn)代電子設(shè)計自動化開發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢。 基于 FPGA 的 DSP 設(shè)計流程 本次設(shè)計采用系統(tǒng)級的開發(fā)方法，開發(fā)流程如圖 所示 。但 長期以來， FPGA 一直被用于系統(tǒng)邏輯或時序控制上，很少有信號處理方面的應(yīng)用，其原因主要是因為在 FPGA 中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)。使用 DSP 器件實(shí)現(xiàn)雖然簡單，但由于程序順序執(zhí)行，執(zhí)行速度必然不快。就靈活性而言， FPGA 的靈活性遠(yuǎn)勝于ASIC/ASSP，也勝于 DSP 處理器。對 DSP 處理器需要大量運(yùn)算指令完成的工作， FPGA 只需一個時鐘周期的時間就能完成。 由 FPGA 構(gòu)成的 DSP 電路可以同樣以并行或順序方式工作。 用戶可 對 FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。至于在滿足速度要求方面，由于采用了順序執(zhí)行的 CPU 架構(gòu)， DSP 處理器則更加不堪重負(fù)。例如其硬件結(jié)構(gòu)的不可變性導(dǎo)致了其總線的不可改變性，而固定的數(shù)據(jù)總線寬度，已成為 DSP 處理器一個難以突破的瓶頸。因而，盡管擁有多個硬件乘加器，使用了環(huán)形疊代的方法進(jìn)行乘法操作，且許多 DSP 處理 器還擁有使用多乘法器的并行指令，用于加速算術(shù)運(yùn)算，然而由于其順序的工作方式、較低的數(shù)據(jù)處理速率，以及缺乏實(shí)時工作的性能，使其至今仍只適合于低端的數(shù)字信號處理。 2） 專用的 DSP 器件 在過去很長一段時間， DSP 處理器 (如 TI 的 TMS320 系列 )是 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)核心器件的惟一選擇。 1） 單片通用集 成電路 目前 針對 DSP 算法的集成電路器件主要是 ASSP 和 ASIC，它們均是半定制 13 集成電路，故在性能指標(biāo)、工作速度和可靠性上具有不可比擬的優(yōu)勢 。 濾波器設(shè)計方法比較 數(shù)字濾波器是語音與圖像處理、模式識別、雷達(dá)信號處理、頻譜分析等應(yīng)用中的一種基本的處理部件，它能滿足 濾 波器對幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。 對于線性相位濾波器，通常采用 FIR 濾波器，其單位脈沖響應(yīng)滿足一定 條件，可以證明其相位特性在整個頻帶中是嚴(yán)格線性的，這是模擬濾波器無法達(dá)到的。 FIR 濾波器不能采用模擬濾波器的設(shè)計進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法，經(jīng)常用的是窗函數(shù)法和頻率采樣法。這一類方法相對容易一些，這是因為模擬濾波器設(shè)計方法已經(jīng)很成熟，它不僅有完整的設(shè)計公式，還有完善的圖表供查閱；另外，還有一些典型的濾波器類型可供我們使用。 IIR 濾波器設(shè)計方法有兩類，經(jīng)常用的一類設(shè)計方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進(jìn)行的。 12 3． 數(shù)字濾波器的總體設(shè)計方案 FIR 和 IIR 設(shè)計方法 概述 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法等； FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法、切比雪夫逼近法等。隔開。 即打開 Quartus II 軟件 的 License Setup 界面 ， 勾上 “Use LM_LICENSE_FILE variable” ，使用 LM＿ LICENSE＿ FILE 環(huán)境變量來指定license。 軟件安裝 問題 本次設(shè)計 中， MATLAB 軟件僅僅 實(shí)現(xiàn)濾波器的建模和基于純數(shù)學(xué)的仿真， 而DSP Builder提供了一個從 MATLAB/Simulink直接到 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計接口， Quartus II則實(shí)現(xiàn)了編譯、適配和下載的功能。 Quartus 平臺與 Cadence、 ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys 和 Synplicity 等 EDA 供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。 Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開發(fā)平臺。工程師使用同樣的低價位工具對 Stratix FPGA 進(jìn)行功能驗證和原型設(shè)計，又可以設(shè)計 HardCopy Stratix 器件用于批量成品。 10 Quartus 簡介 Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境 , 由于其強(qiáng)大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 者的歡迎。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析 、仿真和設(shè)計工作，而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對 MATLAB 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題認(rèn)識的同時，不斷完善 MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。設(shè)計模型可直接向 VHDL 硬件描述語言轉(zhuǎn)換，并自動調(diào)用 QuartusⅡ 等 EDA 設(shè)計軟件，完成綜合、網(wǎng)表生成以及器件適配乃至FPGA 的配置下載，使得系統(tǒng)描述與硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融合，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代 電子技術(shù)自動化開發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢。而以往的 FPGA 所需要的傳統(tǒng)基于硬件描述語言的設(shè)計因考慮了 FPGA 硬件的延時與 VHDL 遞歸算法的銜接，以及補(bǔ)碼運(yùn)算和乘積結(jié)果截取等問題，所以相當(dāng)繁瑣。 設(shè)計軟件簡介 DSP Builder 簡介 DSP Builder 是美國 Altera 公司推出的一個面向 DSP 開發(fā)的系統(tǒng)級設(shè)計工具，它在 QuartusⅡ 設(shè)計環(huán)境中集成了 Matlab 和 SimuIinkDSP 開發(fā)軟件。 IIR低通濾波器指標(biāo)參數(shù)如圖 所 示。一般對 IIR 數(shù)字濾波器，通常只用幅頻響應(yīng)函數(shù) |H（ ejw） |來描述設(shè)計指標(biāo)，相頻特性一般不作要求。 數(shù)字濾波器的設(shè)計要求和方法 濾波器的指標(biāo)常常在頻域給出。例如，從使用要求上來看，在對相位要求不敏感的場合，如語言通訊等，選用 IIR 較為合適，這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，而對于圖像信號處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，則對線性相位要求較高，如果有要求，采用 FIR 濾波器較好。而 FIR 濾波器則要靈活的多，尤其它能易于適應(yīng)某些特殊的應(yīng)用，如構(gòu)成微分器或積分器，或用于巴特沃斯、切 比雪夫等逼近不可能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的情況，例如，由于某些原因要求三角形振幅響應(yīng)或一些更復(fù)雜的幅頻響應(yīng)，因而有更大的適應(yīng)性和更廣闊的天地。一般，F(xiàn)IR濾波器的設(shè)計只有計算機(jī)程序可循，因此對計算工具要求較高。 FIR 濾波器設(shè)計則一般沒有封閉形式的設(shè)計公式。此外， FIR 濾波器可以采用快速傅里葉變換算法，在相同階數(shù)的條件下，運(yùn)算速度可以快得多。另外，在這種結(jié)構(gòu)中，由于運(yùn)算過程中對序列的舍入處理，這種有限字長效應(yīng)有時會引起寄生振蕩。相反， FIR 濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于 FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對已同樣的濾波器設(shè)計指標(biāo)， FIR 濾波器所要求的階數(shù)可以比 IIR 濾波器高 5— 10 倍，結(jié)果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則 IIR 濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。這兩種類型的設(shè)計方法有很大的區(qū)別， 下面對它們進(jìn)行簡要比較。 數(shù)字濾波器從現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)分類，可以分成無限脈沖響應(yīng) (IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)（ FIR）濾波器。理想濾波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，因為他們的單位脈沖響應(yīng)均是非因果且是無限長的，我們只能按照某些準(zhǔn)則設(shè)計濾波器，使之盡可能逼近它，這些理想濾波器可作為逼近的 標(biāo)準(zhǔn)用。這些濾波器可按照隨機(jī)信號內(nèi)部的一些統(tǒng)計分布規(guī)律，從干擾中最佳地提取信號。一類稱為經(jīng)典濾波器，即一般的濾波器，特點(diǎn)是輸入信號中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶，通過一個 合適的選頻濾波器達(dá)到濾波的目的。 一般用兩種方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是采用通用計算機(jī)，把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序通過計算機(jī)來執(zhí)行，也就是采用計算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)；二是硬件實(shí)現(xiàn)，利用加法器、常數(shù)乘法器和延遲器等裝配成專門的設(shè)備，當(dāng)然，這 6 種方法實(shí)現(xiàn)一般還要通過編程，在計算機(jī)上進(jìn)行仿真。正因為有該不同點(diǎn)，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配以及實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)字濾波器的定義 所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分的器件。其缺點(diǎn)是需要抽樣、量化、編碼，以及手時鐘頻率所限，所能 處理的信號最高頻率還不夠高。數(shù)字濾波器（ DF）由加法器、乘法器、存儲延遲單元、時鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構(gòu)成。采樣濾波器（ SF）由電阻、電容、電荷轉(zhuǎn)移器件、運(yùn)放等組成，屬于離散時間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。濾波器如系統(tǒng)一樣可分為三類：模 擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器。在更多地情況下，被窄義地理解為選頻系統(tǒng)，如低通、高通、帶通、帶阻。 5 2． 相關(guān)知識簡介 數(shù)字濾波器概述 濾波器可廣義地理解為一個信號選擇系統(tǒng)。 本文介紹的數(shù)字濾波器采用 FPGA 器件來實(shí)現(xiàn)。但是，由于它采用程序順序執(zhí)行，因此在一些要求高的實(shí)時性場合中的應(yīng)用受到制約。片擴(kuò)展的方式則能使其應(yīng) 4 用范圍變廣，但是這會使濾波器的體積和功耗增加，導(dǎo)致另一種局限性。例 如，在軍事上被大量應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、電子對抗、戰(zhàn)場偵察；在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用于能源分布規(guī)劃和自動檢測；在環(huán)境保護(hù)中被應(yīng)用于對空氣污染和噪聲干擾的自動監(jiān)測；在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中被應(yīng)用于股票市場預(yù)測和經(jīng)濟(jì)效益分析，等等。數(shù)字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。 生物醫(yī)學(xué)信號處理 數(shù)字濾波器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，如對腦電圖和心電圖的分析、層析X射線攝影的計算機(jī)輔助分析、胎兒心音的自適應(yīng)檢測等。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理部分是不可缺少的，因為從信號的產(chǎn)生、濾波、加工到目標(biāo)參數(shù)的估計和目標(biāo)成像都離不開數(shù)字濾波技術(shù)。 雷達(dá) 雷達(dá)信號占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量和降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達(dá)信號數(shù)字處理面臨的問題。高清晰度電視的普及指日可待，與之配套的視頻光盤技術(shù)已形成具有 巨大市場的產(chǎn)業(yè)；可視電話和會議電視產(chǎn)品 3 不斷更新?lián)Q代。其中，被認(rèn)為是通信技術(shù)未來發(fā)展方向的軟件無線電技術(shù)，更是以數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)。 通信 在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎沒有一個分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響。近年來，這 5 方面都取得了不少研究成果，并且，在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些相關(guān)的軟件和硬件產(chǎn)品，例如，盲人閱讀機(jī)、啞人語音合成器、口授打印機(jī)、語音應(yīng)答機(jī)，各種會說話的儀器和玩具，以及通信和視頻產(chǎn)品大量使用的音頻壓縮編碼技術(shù)。第五，語音編碼。即用專用硬件或計算機(jī)識別人 講的話，或者識別說話的人；第四，語音增強(qiáng)。即對語音信號的波形特征、統(tǒng)計特性、模型參數(shù)等進(jìn)行分析計算；第二，語音合成。 語音處理 語音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是最早推動數(shù)字信號處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。根據(jù)有用信號和噪音的不同特性，提取有用信號的過程成為濾波，實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。數(shù)字濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣。無論是信號的獲取、傳輸，還是信號的處理和交換都離不開濾波技術(shù)，它對信號安全可靠和有效靈活地傳輸是至關(guān)重要的。例如，對數(shù)字信號進(jìn)行濾波以限制他的頻帶或濾除噪音和干擾，或?qū)⑺麄兣c其它信號進(jìn)行分離；對信號進(jìn)行頻譜分 析或功率譜分析以了解信號的頻譜組成，進(jìn)而對信號進(jìn)行識別；對信號進(jìn)行某種變換，使之更適合于傳輸，存儲和應(yīng)用；對信號進(jìn)行編碼以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的，等等。因此，數(shù)字信號實(shí)際上是用數(shù)字序列表示的信號，語音信號經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號是一個一維離散時間序列；而圖像信號經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號是一個二維離散空間序列。模擬信號是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一 維的，也可以是二維或多維的。 數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，實(shí)際生活中遇到的信號多種多樣，例如廣播信號、電視信號、雷達(dá)信號、通