基于DSPBuilder的插值滤波器的设计及FPGA实现*

杨守良，杨保亮

（重庆文理学院 电子电气工程学院，重庆402160）

插值滤波器是一种结构相对较为简单、整齐划一、占用存储量小的滤波器，广泛应用于数字示波器、数字通信和全数字收发机中。它不需要乘法器，因此占用硬件资源较少、实现简单且速度较高，是高分解速率滤波器的一种非常有效的结构，在高速抽取或插值系统中是非常有效的单元[1-3]。在插值滤波器的具体实现中，人们大多使用DSP来实现，但由于DSP具有串行执行指令的特点，使得其在高速信号处理中无法满足设计需要[4]。而高性能大规模可编程逻辑器件的出现，使得在FPGA中用软件实现插值滤波器成为可能，而且FPGA芯片内部的资源相当丰富，并行的处理速度较快，并具有极大的灵活性，使其成为设计的首选。

在以FPGA为核心器件来设计信号处理系统时，Altera公司的DSP Builder是一款理想的系统级工具软件，它建立了数字信号处理系统的抽象算法模型，并将抽象算法模型转化成可靠的硬件实现。DSP Builder提供了一个从MATLAB/Simulink直接到FPGA硬件实现的设计接口，是数字信号处理高层系统设计与FPGA的桥梁。DSP Builder极大地简化了硬件实现流程，同时提供了系统仿真测试功能，使利用FPGA设计并实现数字信号处理更加灵活，更容易开发。此外，还可以将设计模型直接编译成能在FPGA器件中布局布线的网表文件，成功地解决了算法研究人员和硬件实现工程师之间的工作协调问题，使得用户能够以最快的速度将他们的算法得到硬件实现。

1 插值滤波原理

插值滤波是由N个Comb模块（采样频率为fs/RD），再级联 N个 Intergrator模块级联（采样频率为 fs），结构如图 1 所示。 一般情况下插值比率为 1：1、1：2、1：5、1：10、1：20、1：50。 插值滤波器由一个插零模块和一个滤波器构成。如果插值比率为1：N，则插零模块负责在每两个原始数据之间插入N-1个0，再通过滤波平滑波形，出来的插值后的波形的采样率将是原始波形的N倍。

图1 多级CIC插值滤波器结构框图

2 CIC滤波器的模型建立

2.1 数据处理宽度的确定

用FPGA实现插值滤波器时[5-8]，还有一个很重要的参数需要确定，那就是寄存器的宽度（或者位数）。只有精心计算寄存器的宽度，才能在运算不溢出的情况下，最大限度地节省FPGA的硬件资源。对于插值滤波器，最终的梳状器输出增益 G=（RD）N，其中，R为抽取因子，D为延迟数值，N为滤波器级数。假定采用二进制补码，设输入数据宽度为Bin，则内部数据处理的宽度Bout=Nlog2（RD）+Bin。 本设计中输入数据宽度为 8，N=3，R=75，D=1（即抽取因子为 75，延迟为 1的三级插值滤波器），则输出字宽 W=8+log2（75×1）≈26 bit，保证不会产生运行时间溢出。因此，可以根据前面的分析建立模型。

2.2 插值滤波器的模型建立

本文以带宽为30 kHz、采样率为2 MHz的信号加速为采样率为150 MHz的信号，而要求通带衰减最大不得超过3 dB，阻带衰减不得低于45 dB。根据前面的分析可以采用三级插值滤波器来实现。根据图1所示的框图在MATLAB的Simulink下，利用DSP Builder建立图2所示的三级插值滤波器模型[5-7]。

用SignalCompiler将图2的核心插值滤波器模型转化为 VHDL硬件描述语言，双击“SignalCompiler”图标，在弹出的对话框中点击 “Compile”，DSP Builder将会调用Quartus II进行全程编译，其过程包括创建Quartus II工程、综合及适配。由于在DSP Builder中只有器件系列，且编译之后没有时序报告，因此，在用 SignalCompiler将.mdl文件转化成HDL语言后，一般还需在Quartus II中进行进一步的设置和完整编译。

3 仿真分析

3.1 基于DSP Builder软硬件协同仿真

由于在Simulink下进行的仿真不涉及任何硬件 （如FPGA），只能是算法级的仿真，但是如果完全放在底层设计工具Quartus II上仿真，尽管获得了全硬件的仿真结果，但是难以获得一些特定功能的激励信号，因此，本仿真通过引入HIL模块来进行软硬件协同仿真。首先在Simulink平台下进行软件仿真，当结果满足设计要求时，使用HIL将Input和Output模块之间DSP Builder模块生成HDL工程，从而实现基于MATLAB/DSP Builder平台的硬件仿真。本文选用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8为主芯片的开发板进行仿真，仿真结果如图3所示。由图3可以看出，输出端的数据比输入端的数据整整快了75倍，仿真结果表明，三级插值滤波器的实现方法正确。

图3 三级CIC滤波器仿真图

3.2 Quartus II时序仿真

采用一个幅值为127的阶跃信号作为插值滤波器的输入信号，在Quartus II开发环境下进行仿真、综合，运行结果如图4所示。可以看出达到了预定的设计要求。

图2 三级CIC滤波器结构框图

图4 三级CIC滤波器仿真所得的时序图

本文提出一种根据插值滤波器数学模型，采用MATLAB/Simulink来建立相应的模型，然后利用Signal Compiler工具将其转化为Quartus II能够识别的VHDL程序来实现插值滤波器的方案。该方案充分发挥了FPGA器件处理速度快、实现灵活方便的特性，大大提高了整个系统的性能。采用DSP Builder系统工具，从插值滤波器建模、仿真到FPGA的具体设计都在一个环境中完成，方便了系统的更改和扩展，使得设计更加灵活、便捷，相对于传统开发方式，具有更大的优势。

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