基于FPGA的可调参数FIR滤波器系统设计(2)
参 考 文 献 40
1 引言
1．1 论文研究的目的意义
数字信号处理技术在许多领域内具有广泛的用途，如雷达、图像处理、数据压缩、数字电视和数字通信机等等。如何在较强的背景噪声和干扰信号下提取出真正的信号并将其用于实际工程，这正是信号处理要研究解决的问题。在数字信号处理中，数字滤波器占有很重要的地位，它涉及的领域很广，如通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等。
与模拟滤波相比，数字滤波具有很多突出的优点。例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大，一个好的数字滤波会有效的推动众多工程技术领域的技术改造和学科发展。所以对数字滤波器的工作原理、硬件结构和实现方法进行研究具有重要的意义。
根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性，可将数字滤波器分为无限长冲激响应(IIR}滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器两种。由于FIR系统只有零点，系统稳定，便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用[1，2]。
在工程实践中，往往要求信号处理具有实时性和灵活性而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这两方面的要求。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展，FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)可以满足电子系统小型化、低功耗、高可靠性的需要，而且开发周期短、开发软件投入少、芯片价格越来越低，因而FPGA越来越多地被市场所选用，特别是应用在小批量、多品种的产品中。并且FPGA器件是硬件并行结构，数字滤波器的并行迭代算法非常适合通过FPGA实现[3-5]。USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)技术自问世以来以其应用价格低、兼容性好、可用外设多等优点，得到了广泛的应用[6]。在USB2.0推出后，达480 Mbps的传输速度已能符合目前计算机与外围传输的要求。通过USB2.0总线可将FPGA的快速性和计算机的灵活性有机地结合起来，既保证了信号处理的实时性，又可兼顾灵活性要求。
1．2 国内外研究现状
1．3 本文主要内容
基于以上分析，本文设计了一个FPGA+USB2.0+计算机的FIR数字滤波系统，将FPGA的快速性和计算机的灵活性通过USB2.0总线有机地结合起来，可实时对信号进行采集、滤波与显示，还可动态调整滤波器的滤波系数，以适应不同被滤波信号。主要内容包括以下几个方面：
(1)以FIR滤波器的基本理论为依据，确定适应工程实际的数字滤波器结构；
(2)根据实际应用中系统实时性、灵活性以及数据量的要求，搭建了以FPGA为核心的FIR滤波系统的硬件电路；
(3)采用硬件描述语言VHDL的设计方法，对系统的核心部分FPGA的各个功能模块进行编程设计，并对设计模块进行仿真验证；
(4)应用通用串行总线USB与计算机进行通讯。一方面，传输由FPGA滤波后的数据至计算机机进行显示及后续处理；另一方面，完成FIR滤波器参数的动态调整。USB软件设计包括固件编程、驱动程序设计和应用程序设计；
(5)利用计算机应用程序对系统进行实验验证与分析，给出滤波器性能测试结果。
2 FIR滤波器设计原理
2．1 FIR数字滤波器
数字滤波器是完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。随着数字技术的发展，用数字技术设计滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。