基于FDATool的FIR滤波器设计方法（一）

FIR 滤波器广泛应用于数字信号处理中，主要功能就是将不感兴趣的信号滤除，留下有用信号。FIR滤波器是全零点结构，系统永远稳定;并且具有线性相位的特征，在有效频率范围内所有信号相位上不失真。在无线通信收发机中的DDC/DUC模块，抽取和内插都需要加入滤波器以防止信号在频谱上混叠，最典型的是采用 FIR滤波器实现半带滤波器。

FIR滤波处理如下式所示，其中x(n)为输入信号，h(n)为FIR滤波系数，y(n)为经过滤波后的信号;N表示FIR滤波器的抽头数，滤波器阶数为N-1。

由上式可得到FIR滤波器在FPGA中的实现结构，如图1所示，主要由延迟单元Z-1、乘法器和累加器组成。此结构为直接型FIR滤波器结构，也称横向结构(transverse)。

图1

设计FIR滤波器的方法有多种，其中Matlab软件提供了很多关于滤波器设计的工具箱，FDATool就是一个很好的工具，如图2所示就是FDATool的界面，可以在Matlab的Command窗口中直接输入FDATool命令来调用。

图2

滤波器的设计首先需要设置的参数：

(1) Response Type：选择FIR滤波器的类型：低通、高通、带通和带阻等。如图3所示为Lowpass中的下拉选项，在DDC/DUC模块设计中，抽取和内插需要使用Halfband Lowpass类型，而channel filter需要使用Raised-cosine类型。

图3

(2) Design Method：FIR滤波器设计方法有多种，如图4所示，最常用的是窗函数设计法(Window)、等波纹设计法(Equiripple)和最小二乘法 (Least-Squares)等。其中窗函数设计法在学校课堂中是重点讲解的，提到FIR滤波器肯定会想到hamming、kaiser窗，但是实际应用中却很少使用，因为如果采用窗函数设计法，达到所期望的频率响应，与其它方法相比往往阶数会更多;而且窗函数设计法一般只参照通频带wp、抑制频带ws 和理想增益来设计滤波器，但是实际应用中通频带和抑制带的波纹也是需要考虑的，那在这种情况下，采用等波纹设计法就非常适用了。

图4

(3) Filter Order：设置滤波器的阶数，这个选项直接影响滤波器的性能，阶数越高，性能越好，但是相应在FPGA实现耗用的资源需要增多。在这个设置中提供2个选项：Specify order和Minimum order，Specify order是工程师自己确定滤波器的阶数，Minimum order是让工具自动确定达到期望的频率相应所需要的最小阶数，因此具体选择哪个选项得视实际情况而定了。

图5

(4) Frequency Specification：设置频率响应的参数，包括采样频率Fs、通带频率Fpass和阻带频率Fstop。

图6

参数设置完成后，FDATool就会分析并且生成滤波系数，如图7所示，可以得到滤波器的频率相应曲线，并且可以通过File-》Export导出滤波系数，如图8所示。

图7

图8

为了快速验证FIR滤波器的FPGA实现，使用Xilinx的System Generator工具，如图9所示为FIR滤波器的验证模型，其中通过Gateway In和Gateway out模块分隔matlab simulink模块和Xilinx FPGA模块，matlab simulink模块用于产生测试源，接收并显示滤波后波形。还有System Generator Token用于生成Xilinx FPGA模块的HDL代码。

图9

其中FIR Compiler 5.0模块的参数设置如图10所示，滤波系数直接调用FDATool生成的滤波系数equ_coe，输出为全精度数据。

图10

得到输出结果如图11所示，上边图为输入原波形，由两个频率分量的正弦波叠加而成，频率分别为2MHz和100MHz，经过FIR滤波之后，100MHz频率分量被滤除。

图11

FIR滤波器根据输入数据速率的不同可分为串行结构、半并行结构和全并行结构。串行结构的FIR滤波器是将并行数据串行输入，所需的DSP资源较少，但是数据吞吐率较低;而全并行结构的FIR滤波器数据是并行输入，滤波系数的个数就决定了所需DSP资源的个数，资源耗用较多，但是吞吐率可以做到很大。在大多数应用中，如无线数字中频处理，所需数据吞吐率一般都较高，因此采用的是全并行结构的FIR滤波器。

全并行FIR滤波器根据实现结构不同可分为：直接型(Transverse)、转置型(Transpose)和脉动型(Systolic)，这一节主要讲解直接型FIR滤波器设计。

(一)直接型

直接型FIR滤波器在上一节中也有介绍，如图1所示，数据x(n)移入并寄存，如果有11个抽头，因此直接型FIR滤波器需要11个乘加模块。

图1

FPGA实现时，直接采用上图中结构，不对中间数据寄存，则关键路径是x(n)h(0)+x(n-1)h(1)…x(n-N+1)h(N-1)，以阶数10的FIR滤波器为例，如下为抽头系数：

coe_0 = -1241

coe_1 = -650

coe_2 = 1300

coe_3 = 4739

coe_4 = 8126

coe_5 = 9544

coe_6 = 8126

coe_7 = 4739

coe_8 = 1300