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IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) 任意階的IIR濾波器可通過數(shù)學分解，表示為： 其中為如下的二階形式： 這樣就可以將任意階的IIR濾波器通過若干二階網(wǎng)絡(luò)(也稱為濾波器的二階基本節(jié))級聯(lián)起來構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，代表第i級的二階網(wǎng)絡(luò)。 對于每一個二階基本節(jié)，可以轉(zhuǎn)置直接II型結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)，如圖2所示。 采用這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)IIR濾波器的優(yōu)點是每一個基本節(jié)只是關(guān)系到濾波器的某一對極點和一對零點，調(diào)整系數(shù)a0i、a1i、a2i，只單獨地調(diào)整了濾波器第i對零點而不影響其他任何零、極點。同樣，調(diào)整b1i、b2i系數(shù)、也只單獨調(diào)整了第i對極點。因此，這種結(jié)構(gòu)便于準確地實現(xiàn)濾波器的零、極點，也便于調(diào)整濾波器的頻率響應(yīng)性能。這種結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是存儲單元需要較少，在硬件實現(xiàn)時，可以用一個二階節(jié)進行時分復(fù)用，從而降低對FPGA硬件資源的要求。 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計 利用MATLAB信號處理工具箱中的濾波器設(shè)計和分析工具(FDATool)可以很方便地設(shè)計出符合應(yīng)用要求的未經(jīng)量化的IIR濾波器。需要將MATLAB設(shè)計出的IIR濾波器進一步分解和量化，從而獲得可用FPGA實現(xiàn)的濾波器系數(shù)。 由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此如何將濾波器的每一個極點和零點相組合，從而使得數(shù)字濾波器輸出所含的噪聲最小是個十分關(guān)鍵的問題。為了產(chǎn)生最優(yōu)的量化后的IIR數(shù)字濾波器，采用如下步驟進行設(shè)計。 (1)首先計算整體傳遞函數(shù)的零極點； (2)選取具有最大幅度的極點以及距離它最近的零點，使用它們組成一個二階基本節(jié)的傳遞函數(shù)； (3)對于剩下的極點和零點采用與(2)相類似的步驟，直至形成所有的二階基本節(jié)。 通過上面三步法進行的設(shè)計可以保證IIR數(shù)字濾波器中N位乘法器產(chǎn)生的量化舍入誤差最小。 為了設(shè)計出可用FPGA實現(xiàn)的數(shù)字濾波器，需要對上一步分解獲得的二階基本節(jié)的濾波器系數(shù)進行量化，即用一個固定的字長加以表示。量化過程中由于存在不同程度的量化誤差，由此會導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差，嚴重時會使IIR濾波器的極點移到單位圓之外，系統(tǒng)因而失去穩(wěn)定性。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù)，采用以下步驟進行量化。 (1)計算每個系數(shù)的絕對值； (2)查找出每個系數(shù)絕對值中的最大值； (3)計算比此絕對值大的最小整數(shù)； (4)對(3)的結(jié)果取反獲得負整數(shù)； (5)計算需要表示此整數(shù)的最小位數(shù)； (6)計算用于表示系數(shù)值分數(shù)部分的余下位數(shù)。 除了系數(shù)存在量化誤差，數(shù)字濾波器運算過程中有限字長效應(yīng)也會造成誤差，因此對濾波器中乘法器、加法器及寄存器的數(shù)據(jù)寬度要也進行合理的設(shè)計，以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。 IIR數(shù)字濾波器的VHDL描述 由上一節(jié)設(shè)計出來的IIR數(shù)字濾波器可以進一步用VHDL語言加以描述，通過編譯、功能仿真、綜合和時序仿真之后就可以在FPGA上實現(xiàn)了。由于采用了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一個二階基本節(jié)的VHDL描述都是類似的，只是濾波器的系數(shù)有所不同，下面著重討論二階基本節(jié)的VHDL描述。 采用VHDL描述的二階基本節(jié)的頂層結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)在執(zhí)行單元內(nèi)進行處理。執(zhí)行單元內(nèi)部包含算術(shù)和邏輯單元以及一些寄存器；算術(shù)和邏輯單元主要由串行乘法器和累加器組成；存儲器包括工作RAM和系數(shù)ROM兩部分，分別用于存放計算的中間結(jié)果和濾波器的系數(shù)；存儲器和執(zhí)行單元通過內(nèi)部總線相連接；控制模塊包括程序ROM和程序控制單元，程序ROM中存放有濾波算法的程序，程序控制單元用于解釋指令并為數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生控制信號。 此結(jié)構(gòu)既可以接收串行輸入的數(shù)據(jù)，也可以接收并行輸入的數(shù)據(jù)，通過SEL進行設(shè)置。外部CPU可以通過READ信號來訪問濾波器的計算結(jié)果，另外，外部CPU也可以通過地址總線A[3:0]對內(nèi)部的存儲器進行訪問，用WRITE信號對濾波器系數(shù)進行寫操作，這樣外部CPU就可以根據(jù)自己的需要對濾波器進行配置，靈活地實現(xiàn)各種功能。 各信號的含義如下。 CLK：系統(tǒng)時鐘； RES：異步全局復(fù)位信號，低有效； SDATA：串行輸入數(shù)據(jù)； PDATA：并行輸入數(shù)據(jù)； SEL：設(shè)置輸入數(shù)據(jù)為并行還是串行； READ：讀信號，低有效； WRITE：寫信號，低有效； SRES：同步復(fù)位信號，高有效； CLKI：外部CPU時鐘； A[3:0]：外部CPU訪問內(nèi)部寄存器的地址總線； OUT：輸出數(shù)據(jù)。 內(nèi)部算術(shù)與邏輯單元是整個濾波器的核心，它的結(jié)構(gòu)如圖4所示。計算過程是，X、Y為輸入數(shù)據(jù)，通過選擇器進入乘法器，算術(shù)與邏輯單元從系數(shù)ROM中讀取濾波器的系數(shù)用以輸入數(shù)據(jù)相乘，相乘的結(jié)果與前一步的結(jié)果相加進入累加器，累加器讀取上一步計算的中間結(jié)果A并計算，最后將此步計算的結(jié)果M存入到RAM中去。 結(jié)語 本文介紹了一種采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)在FPGA上實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器的方法。在實際使用中，可以根據(jù)不同精度要求，方便地對該IIR濾波器進行修改以滿足不同的指標要求，靈活地組成任意階不同類型的濾波器。同時，在系統(tǒng)運行中，外部CPU可以靈活修改濾波器系數(shù)，改變?yōu)V波器的頻率響應(yīng)，滿足特定的應(yīng)用要求。 |
