基于FPGA的IIR數字濾波器的設計與實現

【摘要】給出了基于FPGA的IIR數字濾波器的設計和實現方法。首先，用雙線性變換法設計出巴特沃茲數字帶通濾波器的相關參數；其次，利用Matlab軟件對所設計的濾波器進行了仿真分析；最后，利用Quartus II軟件進行了模塊設計和功能仿真。實驗結果證明了該方法的有效性。

【關鍵詞】現場可編程門陣列；無限沖擊響應；數字濾波器

Abstract：An approach for the design and the implementation of IIR digital filter based on FPGA is proposed.Firstly，the parameters of Butterworth band-pass filter are computed by means of bilinear transformation method.Secondly，simulation analysis on the filter is carried out through Matlab software.Finally，module design and functional simulation are executed using Quartus II.Experiment results verify its effectiveness.

Keywords：field programmable gate array（FPGA）；infinite impluse response（IIR）；digital filter

1.引言

數字濾波器在通信、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫療、家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。其中IIR數字濾波器[1.2]和FIR數字濾波器[3，4]是目前人們使用較多的兩種。數字濾波器通常采用計算機軟件、專用數字濾波器、DSP器件或可編程邏輯器件（如FPGA）實現。因為，用FPGA實現數字濾波器具有實時性強、靈活性高、處理速度快以及小批量生產成本低等優點，所以得到了較為廣泛的應用。本文以巴特沃思數字帶通濾波器為例，較為詳細地介紹了其設計和實現方法。給定巴特沃茲數字帶通濾波器的抽樣頻率為500Hz，上、下邊帶截止頻率分別為150Hz和30Hz。

2.濾波器參數計算

雙線性變換法是在低通濾波器的基礎上采用頻率變換法把低通濾波器轉換成所需要濾波器的。據此方法，我們得到如下濾波器的系統模型：

（1）

3.Matlab仿真

針對式（1）所描述的系統模型，利用Matlab軟件工具箱函數freqz （b，a，N，Fs）繪制出其幅頻特性和相頻特性，以檢驗參數的正確性。該濾波器的幅相頻率特性如圖1所示。

圖3 濾波系統的硬件框圖

由圖1可見，系統的上、下邊帶分別為150Hz和30Hz，滿足系統設計要求。

4.FPGA設計

4.1 濾波器的結構

同一系統函數的IIR濾波器可以用不同的結構來實現，如直接I型、直接II型（典范型）、級聯型和并聯型。不同的結構有不同的特點，為便于硬件實現及容易確定數據位數，本文選用直接I型這一結構形式。系統的直接I型結構如圖2所示。

4.2 FPGA主要模塊

（1）D觸發器模塊

使用D觸發器來實現圖2中所需的延時功能。每當時鐘上升沿到來時，便對輸入的數據進行鎖存。D觸發器可以利用Quartus II軟件中LPM宏模塊定制實現。

（2）乘累加模塊

由式（1）所描述的濾波器的系統模型，可得所對應的差分方程如下：

（2）

乘累加模塊承擔式（2）中乘累加的計算工作。

5.實驗

利用數字濾波器實現模擬信號濾波的系統結構框圖如圖3所示。模擬輸入信號經A/D轉換器轉換為數字信號，用FPGA數字濾波器進行濾波處理，再經D/A轉換器轉換為模擬輸出信號，完成模擬信號的濾波處理。FPGA芯片采用的是Cyclone II系列EP2C5T144C8型FPGA。A/D和D/A轉換器采用的康芯高速ADC/DAC模塊。

輸入峰峰值為5V的正弦信號，周期分別為10Hz、100Hz和200Hz，經濾波系統處理后所得輸出信號波形分別如圖4、5、6所示，輸出信號幅度分別為400mV、2.32V、1.2V。

6.結束語

本文利用FPGA實現了巴特沃茲IIR數字帶通濾波器，并給出較為詳細的設計過程。實驗結果證明了所設計的濾波器完全滿足預定設計要求。

參考文獻

[1]屈星，唐寧，嚴舒，等.基于FPGA的IIR數字濾波器的設計與仿真[J].計算機仿真，2009， 26（8）：304-307，348.

[2]秦宏伍，史浩，崔.尤里.謝爾蓋維奇.基于FPGA的IIR濾波器整數設計[J].微計算機信息，2007，23（12-2）：220-222.

[3]羅耀國，婁淑琴.基于FPGA的字串行FIR濾波器的實現[J].北方交通大學學報，2003，27（6）： 48-51.

[4]聶偉，楊勝姚，王巖嵩.基于FPGA的通用FIR濾波器設計[J].實驗技術與管理，2010， 27（10）：69-72.

作者簡介：

李麗莉（1975—），女，河北唐山人，大學本科，工程師，主要從事中低壓自動化產品研發及工程項目設計工作。

通信作者：

張雨虹（1978—），女，河北唐山人，碩士，講師，主要研究方向：預測控制、混沌優化、信息安全、電子電路設計、光通信。