一 .濾波器介紹

濾波器是一種用來減少，消除干擾的電器部件，有對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率信號進行有效濾除，從而實現消除干擾、獲取特定頻率信號的功能。數字濾波器相比模擬濾波器，有著更高的精度、信噪比、無可比擬的可靠性。

FIR，IIR是數字濾波器中最常見的兩種濾波器。 FIR濾波器是有限沖擊響應，最主要特點是沒有反饋回路，故不存在不穩定的問題，很容易做到嚴格的線性相位特性，另外設計方式是線性的，硬件容易實現，對于抽取和插入，結構簡單，很容易得到高速流水線的設計，有定義明確的量化噪聲，并且有較低的系數和算法四舍五入誤差預算，但是其高濾波器長度的實現需要大量的工作量及資源；IIR濾波器是無限沖擊響應，最主要的特點是可以用較低的階數，獲得高的選擇性，所用的存儲單元少，計算量小，效率高。但是這樣的效率是以非線性相位為代價的，選擇性越好，相位非線性越嚴重。本文以FIR為例介紹數字濾波器的設計及驗證。

二.FIR濾波器設計

采用matlab的Filter Design 來完成對FIR濾波器的設計，打開matlab,在命令行輸入filterDesigner，進入到設計頁面，如下

對濾波器的設計主要涉及三個點：通帶，阻帶，過渡帶。

主要的參數有以下5個：

Fpass:通帶上限截至頻率，Apass:帶內平坦度；

Fstop:阻帶下限截至頻率，Astop:帶外抑制幅度；

Fs:數據率

輸入數據的速率為9.14MHz，通帶上限截止頻率為2M，由于考慮到鏡像干擾，阻帶截至頻率設為2.2M，階數選擇128階，濾波器階數可以根據需要設置，也可以設置帶內平坦度和帶外抑制幅度，來選擇所需最小階數，達到自己需要的精度即可。設置完成之后，如下：

濾波器設計完成之后需要對濾波器的系數進行定點量化，選擇按鈕3，定義16位的數據位寬，其中15位為小數。如下：

點擊Filter Design菜單欄的Targets選項下拉菜單的Generate C Header和XILINX Coefficient(.COE) File，分別導出的是C的頭文件和.coe文件（濾波器系數文件），C的頭文件如下

Coe文件為：

這里選擇產生Generate C Header,產生濾波器系數，此處沒有選擇coe文件，是因為當vivado IP核使用coe方式導入時，vivado不能區分小數位。

三.vivado FIR IP核介紹

1.設置濾波器的屬性 ：打開vivado IP核，直接填入濾波器的系數，此處系數需要量化為小數，左邊為濾波器的增益，和matlab一致，如下：

濾波器的類型包括單速率（Single Rate，即數據輸出與輸入速率相同），抽取（Decimation）和插值（Interpolation）應用于多速率信號處理系統，此外還支持希爾伯特變換（Hilbert）模式。抽取型一般多用于數字前端下變頻抽取樣值降低AD采樣速率，插值型用于常用于提高采樣速率。由于需要對AD數據進行抽取濾波，這里選擇抽取類型，抽取的倍數為2倍。

2.設置FIR濾波器的通道 ，由于只使用一個通道，因此交織通道序列（Channel Sequence）選擇Basic，通道數（Number of Channels）為1；Hardware Oversampling Specification中設置過采樣模式，選擇Input Sample Period,即輸入采樣周期，也可以通過輸入采樣頻率和時鐘頻率來設置，設置如下：

3.濾波器量化設置

填入濾波器系數之后，選擇量化的位數，輸入的數據位寬為16，小數位數為15，如果全精度輸出，輸出位寬為33，對后續的處理很不方便，輸出也需要進行相應的截尾，因此設置為：

4.FIR濾波器在FPGA上實現資源選取的情況，一般采用系統默認即可。

5.對外輸入和對外輸入接口情況， 這里只添加復位信號，可以根據自己的實際需求，添加信號。

6.Summary是對FIR濾波器設計的總結，所使用的類型功能，濾波器階數等，最后點擊生成FIR IP核。

四．FIR 濾波器實現

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上運行，需要搭建仿真環境，根據自己使用的matlab選擇不同的版本。搭建完成之后在matlab命令窗口輸入mex-setup,出現以下提示表示安裝成功

然后找到IP核C模型,在vivado工程FIR IP核的目錄下的cmodel的文件夾，FIR_demo.srcs\\sources_1\\ip\\fir_compiler_0\\cmodel，其中有兩個文件，lin64是linux版本的，nt64是windows版本的，選擇nt64解壓。

matlab打開解壓的文件夾，輸入run make_fir_compiler_v7_2_mex,出現以下表示運行成功。

最后要調用的文件是run_fir_compiler_v7_2_mex.m，這個文件可以作為參考使用，部分內容為：

作如下修改：

其中FIR參數設置要和vivado中的IP核配置完全相同，否則會出現比對數據不一致的情況，具體參數配置見下表

各類型對應的數值選擇

2.Modelsim 仿真

仿真時需要注意，采用的抽取類型，數據速率和時鐘速率不一樣，每隔8個時鐘周期采一個數據，然后輸入到FIR IP核，輸出是每隔16個時鐘周期輸出一個數據，輸出延遲可在FIR IP核Summary界面得知，模塊時序如下：

3.數據對比

濾波器的截至頻率為2MHz，用matlab產生一個1MHz和3MHz的混合信號，分別輸入C仿真模型和modelsim進行仿真，得到的結果進行對比如下：

可以清楚的看到輸出的結果是一致的，通過比較matlab和modelsim輸出的數據，發現也是一致的，相減之后為零，驗證了濾波器的正確性。