基于Simulink的CIC梳状滤波器的设计

摘要：CIC梳状滤波器具有结构简单、规整，占用存储量小，不需要乘法器，实现简单且速度高等特点，在高速抽取或插值系统应用广泛。采用DSP Builder软件工具，在Simulink平台上构建了一级4阶CIC梳状滤波器仿真模型，通过多种EDA工具仿真与分析，最终在EP2C35F484C8型FPGA得到了最高响应速度为138.89 MHz的高速CIC梳状滤波器，其性能远优于DSP通用处理器的实现方式。

0 引言

CIC(Cascade Integrator Comb)滤波器最早由Hogenauer提出，后来出现了很多改进的结构形式。随着芯片技术的快速发展、多相滤波技术的广泛应用以及无线通信市场的迅速成长，CIC低通滤波器得到了广泛的应用。长期以来，CIC梳状滤波器一般是在通用DSP处理器上实现的，由于DSP处理器的顺序执行特性的限制，其速度很难满足一些高速抽取与插值系统的需要。FPGA具有优良的全硬件并行执行的特性，研究CIC梳状滤波器的设计及其FPGA实现具有重要的现实意义。

本文采用DSP Builder建模的方法，研究一级4阶CIC梳状滤波器及其FPGA实现方法，为CIC梳状滤波器设计及其FPGA实现的研究提供了一种新的思路。

1 CIC梳状滤波器原理

CIC滤波器冲激响应如式(1)所示：

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单级CIC数字滤波器的结构如图1所示。

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频率区间(0～2π/R)为CIC数字滤波器的主瓣，其他区间称为其旁瓣。不难看出，随着信号频率的增大，CIC数字滤波器的旁瓣电平不断减小。其中，第一旁瓣电平表达式如式(6)所示：

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图2是CIC抽取滤波器的幅频特性，可见，单级CIC滤波器的旁瓣电平比较大。

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2 基于DSP Builder的FPGA开发方法

图3是利用DSP Builder软件工具来开发FPGA的基本流程。设计第一步是建模，主要是调用DSPBuilder软件中的元件构建数字系统模型。之后对建立的模型进行仿真测试。

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仿真通过之后再运行Signal Compiler信号编译器将模型转化成寄存器传输级硬件描述语言。然后利用QuartusⅡ软件进行编译、逻辑综合、适配(结构综合)及时序网表提取等操作，最后生成编程文件和时序网表文件。最终再下载到FPGA/CPLD芯片上进行硬件测试。

3 CIC梳状滤波器建模

调用DSP Builder工具包中的模块，构建了CIC滤波器单元结构模型，如图4所示。CIC梳状滤波器主要由加减法器和延迟单元组成。

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将基本单元模型封装成一个子系统，构建一级CIC树状滤波器仿真模型如图5所示。滤波器输入信号由典型的正弦信号叠加白噪声组成，经一级CIC梳状滤波器后送示波器输出结果。

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4 仿真与结果分析

图6是CIC梳状滤波器模型仿真结果，其中图6(上)为梳状滤波器输入信号波形，图6(下)为输出信号波形。可以看出，经过一级CIC梳状滤波器后，输入信号中的高频噪声得到了较好的抑制。

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模型仿真通过以后，运行Signal Compiler信号编译器，将模型转换成VHDL语言程序，产生测试向量文件，然后用ModelSim进行寄存器传输级仿真，仿真结果如图7所示，可以看出，RTL寄存器传输级仿真结果与Matlab中模型仿真结果基本一致，进一步验证了模型的正确性。

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再调用QuartusⅡ进行逻辑综合与适配，最终在Altera公司CycloneⅡ系列EP2C35F484C8型FPGA上得到了最高响应频率为138.89 MHz的CIC梳状滤波器，其性能远高于采用DSP通用处理器实现的滤波器。

5 结语

CIC梳状滤波器的设计及其FPGA实现具有重要的意义。本文采用DSP Builder系统建模的方法研究CIC梳状滤波器的设计具有重要的参考价值。当然，本文只研究了一级四阶CIC梳状滤波器的性能，在实际应用中，可以根据需要进行二级或者多级级联，以提高CIC梳状滤波器的整体性能。