技术专栏
低通滤波器的FIR的设计
基于FPGA低通滤波器FIR的设计
1 滤波器的特征参数介绍
图1 低通滤波器特征参数 如图1所示,低通滤波器的通带截止频率为ωp ,通带容限为α1,阻带截止频率为ωs,阻带容限为α2。通带定义为|ω|≤ωp ,过渡带定义为ωp2 设计目标
要求:使用fir滤波器设计一个滤波器系数为15阶的低通滤波器,通带截止频率为1KHZ,采样频率为44.1khz。
3 matlab的设计验证
<pre code="" consolas="" courier="" inconsolata="" menlo="" monaco="" mono="" monospace="" pro="" rgb="" sans="" sans-serif="" sc="" source="" style="box-sizing: border-box;font-family: " yahei="">```
close all<br></br>clear all<br></br>clc<br></br> <br></br>%设计一个低通滤波器 采样频率为44.1khz, 截止频率为1khz<br></br> <br></br>FS = 44100; %HZ<br></br>fc = 1000;<br></br>N = 15;<br></br>Q = 16;<br></br> <br></br>%以采样频率的一半,对频率进行归一化处理<br></br>wn_lpf=fc*2/FS;<br></br>%采用fir1函数设计FIR滤波器<br></br>b_lpf=fir1(N-1,wn_lpf);<br></br> <br></br>%滤波系数进行量化<br></br>b_16=round(b_lpf/max(abs(b_lpf))*(2^(Q-1)-1));<br></br> <br></br>%求滤波器的幅频响应<br></br>m_lpf=20*log(abs(fft(b_lpf)))/log(10);<br></br>b16_lpf=20*log(abs(fft(b_16)))/log(10);<br></br>%设置幅频响应的横从标单位为Hz<br></br>x_f=[0:(FS/length(m_lpf)):FS/2]; <br></br> <br></br>%绘制单位脉冲响应<br></br>subplot(221);stem(b_lpf);xlabel('n');ylabel('h(n)');<br></br>title('低通滤波器的单位脉冲响应','fontsize',8);<br></br> <br></br>subplot(222);stem(b_16);xlabel('n');ylabel('h(n)');<br></br>title('低通滤波器的单位脉冲响应','fontsize',8);<br></br> <br></br>%绘制幅频响应曲线<br></br>subplot(223);plot(x_f,m_lpf(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);<br></br>title('低通滤波器的幅频响应','fontsize',8);<br></br> <br></br>subplot(224);plot(x_f,b16_lpf(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);<br></br>title('低通滤波器的幅频响应','fontsize',8);<br></br>
![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/164471401170035.jpg)
图2 低通滤波器的matlab单位脉冲响应和幅频响应4 FPGA信号发生器
-----------
为了验证低通滤波器,我们设计了测试验证的sin信号发生器。
wire \[17:0\] kfreq= (k产生1khz和5khz的sin波。
![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/164471401151373.jpg)
图3 信号发生器产生1khz和5khz的sin测试源测试源的FFT分析:
![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/164471401183231.jpg)
图4 测试源数据的matlab分析
由图4的频域图可知,测试源产生了1khz和5khz的sin。
5 FPGA的fir设计
------------
Fir滤波器verilog代码设计采取全并行模式。
``` `timescale 1ps/1ps
module fir1(
input mclk,//45.1584MHZ
input reset_n,
input signed[31:0] pcm_in,
output signed[31:0] pcm_out
);
localparam LAST_CYCLE = 1023;
reg [9:0] i;
reg signed [31:0] pcm1,pcm2,pcm3,pcm4,pcm5,pcm6,pcm7,pcm8,pcm9,pcm10,pcm11,pcm12,pcm13,pcm14,pcm15;
reg signed [47:0] pcm1_out,pcm2_out,pcm3_out,pcm4_out,pcm5_out,pcm6_out,pcm7_out,pcm8_out,pcm9_out,pcm10_out,pcm11_out,pcm12_out,pcm13_out,pcm14_out,pcm15_out;
reg signed [51:0] pcm_r;
wire signed [15:0] coeff1,coeff2,coeff3,coeff4,coeff5,coeff6,coeff7,coeff8,coeff9,coeff10,coeff11,coeff12,coeff13,coeff14,coeff15;
assign coeff1 = 2208;
assign coeff2 = 3631;
assign coeff3 = 7612;
assign coeff4 = 13576;
assign coeff5 = 20413;
assign coeff6 = 26727;
assign coeff7 = 31169;
assign coeff8 = 32767;
assign coeff9 = 31169;
assign coeff10 = 26727;
assign coeff11 = 20413;
assign coeff12 = 13576;
assign coeff13 = 7612;
assign coeff14 = 3631;
assign coeff15 = 2208;
assign pcm_out = pcm_r[51:20];
always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin
if(!reset_n) begin
i 0;
pcm10;
pcm20;
pcm30;
pcm40;
pcm50;
pcm60;
pcm70;
pcm80;
pcm90;
pcm100;
pcm110;
pcm120;
pcm130;
pcm140;
pcm150;
pcm1_out0;
pcm2_out0;
pcm3_out0;
pcm4_out0;
pcm5_out0;
pcm6_out0;
pcm7_out0;
pcm8_out0;
pcm9_out0;
pcm10_out0;
pcm11_out0;
pcm12_out0;
pcm13_out0;
pcm14_out0;
pcm15_out0;
pcm_r 0;
end
else begin
i i + 1;
if(i == 0) begin
pcm1pcm_in;
pcm2pcm1;
pcm3pcm2;
pcm4pcm3;
pcm5pcm4;
pcm6pcm5;
pcm7pcm6;
pcm8pcm7;
pcm9pcm8;
pcm10pcm9;
pcm11pcm10;
pcm12pcm11;
pcm13pcm12;
pcm14pcm13;
pcm15pcm14;
end
if(i==1) begin
pcm1_out pcm1*coeff1;
pcm2_out pcm2*coeff2;
pcm3_out pcm3*coeff3;
pcm4_out pcm4*coeff4;
pcm5_out pcm5*coeff5;
pcm6_out pcm6*coeff6;
pcm7_out pcm7*coeff7;
pcm8_out pcm8*coeff8;
pcm9_out pcm9*coeff9;
pcm10_out pcm10*coeff10;
pcm11_out pcm11*coeff11;
pcm12_out pcm12*coeff12;
pcm13_out pcm13*coeff13;
pcm14_out pcm14*coeff14;
pcm15_out pcm15*coeff15;
end
if(i==2) pcm_r pcm1_out +pcm2_out+pcm3_out+pcm4_out+pcm5_out+pcm6_out+pcm7_out+pcm8_out+pcm9_out+pcm10_out+pcm11_out+pcm12_out+pcm13_out+pcm14_out+pcm15_out;
end
end
endmodule
``` ``` - - - - - - fpga实验modelsim仿真结果,从图5来看1khz几乎保持不变,而5khz波形幅度上被抑制了很多。 ![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/16447140125402.jpg) 图5 modelsim fir实验结果时域波形 Matlab fft分析: ![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/164471401292301.jpg) 图6 matlab分析实验结果 由图2和图6对比,5khz经过滤波后的功率减小了20DB,图2与图5基本一致,fir的低通滤波器全并行设计成功。 感谢阅读,别走!点赞、关注、转发后再走吧 ![](https://ebaina.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/wechat-official-crawl/2022-02/164471401235491.jpg) 转载:全栈芯片工程师
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