FIR数字滤波器的设计及验证方案

一 .滤波器介绍

滤波器是一种用来减少，消除干扰的电器部件，有对特定频率的频点或该频点以外的频率信号进行有效滤除，从而实现消除干扰、获取特定频率信号的功能。数字滤波器相比模拟滤波器，有着更高的精度、信噪比、无可比拟的可靠性。

FIR，IIR是数字滤波器中最常见的两种滤波器。FIR滤波器是有限冲击响应，最主要特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题，很容易做到严格的线性相位特性，另外设计方式是线性的，硬件容易实现，对于抽取和插入，结构简单，很容易得到高速流水线的设计，有定义明确的量化噪声，并且有较低的系数和算法四舍五入误差预算，但是其高滤波器长度的实现需要大量的工作量及资源；IIR滤波器是无限冲击响应，最主要的特点是可以用较低的阶数，获得高的选择性，所用的存储单元少，计算量小，效率高。但是这样的效率是以非线性相位为代价的，选择性越好，相位非线性越严重。本文以FIR为例介绍数字滤波器的设计及验证。

二.FIR滤波器设计
采用matlab的Filter Design 来完成对FIR滤波器的设计，打开matlab,在命令行输入filterDesigner，进入到设计页面，如下

对滤波器的设计主要涉及三个点：通带，阻带，过渡带。

主要的参数有以下5个：

Fpass:通带上限截至频率，Apass:带内平坦度；

Fstop:阻带下限截至频率，Astop:带外抑制幅度；

Fs:数据率

输入数据的速率为9.14MHz，通带上限截止频率为2M，由于考虑到镜像干扰，阻带截至频率设为2.2M，阶数选择128阶，滤波器阶数可以根据需要设置，也可以设置带内平坦度和带外抑制幅度，来选择所需最小阶数，达到自己需要的精度即可。设置完成之后，如下：

滤波器设计完成之后需要对滤波器的系数进行定点量化，选择按钮3，定义16位的数据位宽，其中15位为小数。如下：

点击Filter Design菜单栏的Targets选项下拉菜单的Generate C Header和XILINX Coefficient(.COE) File，分别导出的是C的头文件和.coe文件（滤波器系数文件），C的头文件如下

Coe文件为：

这里选择产生Generate C Header,产生滤波器系数，此处没有选择coe文件，是因为当vivado IP核使用coe方式导入时，vivado不能区分小数位。

三.vivado FIR IP核介绍
1.设置滤波器的属性：打开vivado IP核，直接填入滤波器的系数，此处系数需要量化为小数，左边为滤波器的增益，和matlab一致，如下：

滤波器的类型包括单速率（Single Rate，即数据输出与输入速率相同），抽取（Decimation）和插值（Interpolation）应用于多速率信号处理系统，此外还支持希尔伯特变换（Hilbert）模式。抽取型一般多用于数字前端下变频抽取样值降低AD采样速率，插值型用于常用于提高采样速率。由于需要对AD数据进行抽取滤波，这里选择抽取类型，抽取的倍数为2倍。

2.设置FIR滤波器的通道，由于只使用一个通道，因此交织通道序列（Channel Sequence）选择Basic，通道数（Number of Channels）为1；Hardware Oversampling Specification中设置过采样模式，选择Input Sample Period,即输入采样周期，也可以通过输入采样频率和时钟频率来设置，设置如下：

3.滤波器量化设置

填入滤波器系数之后，选择量化的位数，输入的数据位宽为16，小数位数为15，如果全精度输出，输出位宽为33，对后续的处理很不方便，输出也需要进行相应的截尾，因此设置为：

4.FIR滤波器在FPGA上实现资源选取的情况，一般采用系统默认即可。

5.对外输入和对外输入接口情况，这里只添加复位信号，可以根据自己的实际需求，添加信号。

6.Summary是对FIR滤波器设计的总结，所使用的类型功能，滤波器阶数等，最后点击生成FIR IP核。

四．FIR 滤波器实现
1.C模型使用
Vivado提供了FIR IP核的C仿真模型，但是不能直接再matlab上运行，需要搭建仿真环境，根据自己使用的matlab选择不同的版本，具体搭建参考https://www.cnblogs.com/qiantuo1234/p/7284384.html 。搭建完成之后在matlab命令窗口输入mex-setup,出现以下提示表示安装成功

然后找到IP核C模型,在vivado工程FIR IP核的目录下的cmodel的文件夹，FIR_demo.srcs/sources_1/ip/fir_compiler_0/cmodel，其中有两个文件，lin64是linux版本的，nt64是windows版本的，选择nt64解压。

matlab打开解压的文件夹，输入run make_fir_compiler_v7_2_mex,出现以下表示运行成功。

最后要调用的文件是run_fir_compiler_v7_2_mex.m，这个文件可以作为参考使用，部分内容为：

作如下修改：

其中FIR参数设置要和vivado中的IP核配置完全相同，否则会出现比对数据不一致的情况，具体参数配置见下表

各类型对应的数值选择

2.Modelsim 仿真
仿真时需要注意，采用的抽取类型，数据速率和时钟速率不一样，每隔8个时钟周期采一个数据，然后输入到FIR IP核，输出是每隔16个时钟周期输出一个数据，输出延迟可在FIR IP核Summary界面得知，模块时序如下：

3.数据对比
滤波器的截至频率为2MHz，用matlab产生一个1MHz和3MHz的混合信号，分别输入C仿真模型和modelsim进行仿真，得到的结果进行对比如下：

可以清楚的看到输出的结果是一致的，通过比较matlab和modelsim输出的数据，发现也是一致的，相减之后为零，验证了滤波器的正确性。

编辑：hfy