【FPGA】FIR数字滤波器设计心得
【FPGA】FIR数字滤波器设计心得
0 前言
学校的课程设计要求设计FIR滤波器，FPGA芯片是Xilinx的Artix 7，板卡是依元素科技有限公司做的拓展板，2017年的，目前搜不到了，估计是被迭代了。
本文作为课程设计的复盘和总结。
1 FIR滤波器设计
1.1 原理
输入输出特性： FIR（Finite Impulse Response）滤波器是其冲激响应为有限长度的滤波器，针对因果离散时间的N阶滤波器，输出序列的每一个值都是最近输入的加权和：
线性相位： 当FIR滤波器的抽头系数具有对称性（奇对称/偶对称）时，FIR滤波器的相频响应具有线性特征，即输入信号的各组份频率之间的相位关系经过滤波器后不发生改变。
线性相位FIR滤波器的系数存在四种情况，如下图（h[k]为抽头系数，M为阶数）：
1.1 一般结构框图
1.2 简单分析
FIR滤波器的十分简单，从输入输出方程来看就是系数h和输入x之间的卷积操作，拆解开来就是，存储，相乘，相加。
1.2.1 存储
- 对于M阶FIR滤波器，需要M+1个寄存器来暂存M+1个输入数据，并且这M+1寄存器需要组成一个FIFO。
- 对于M阶FIR滤波器，需要M+1个寄存器来存储M+1个抽头系数，系数决定了滤波器的截止频率，通带特性等等。
1.2.2 相乘
相乘很简单，在verilog中就是两个寄存器值的相乘，值得一提的是，如果系数符合对称特性，我们可以通过对称式结构设计来减少一半的相乘操作，此外，还可以减少一半的抽头系数的存储。
1.2.3 相加
累加操作是比较消耗时间的，需要加的数越多，消耗的时钟周期就越多。一半单纯的累加，x个数据需要消耗x-1个时钟周期来完成，本次使用的是喜闻乐见的所谓多级流水线累加，即增加并行的加法语句，同周期内尽可能增加加法语句来缩短消耗的时间，代价是增加了相关的资源消耗。
1.3 设计结构框图
以阶数N=16为例，如图
以上是一个16阶的对称式FIR设计图，总的来讲，对于偶数阶N的FIR滤波器设计，需要N+1个移位寄存器暂存连续数据，需要N/2+1个乘法器用于数据相乘运算，以及若干加法器用于数据的累加，累加的结果即为FIR滤波的输出结果。
2 模数转换
2.1 ADC10080
ADC10080是板卡上的ad芯片型号，速率最高80MSPS，数字位宽10bits，并行输出。该芯片的理论输入电压规范是1.45V offset，2.00Vpp，输出数据符合Offset Binary格式，即输出数字为非负数，输入电压最小值对应0000000000，输入电压最大值对应1111111111 。
2.2 DAC900
DAC900是板卡上的da芯片型号，速率最高165MSPS，数字位宽10bits，并行输入。该芯片的理论输入数据是标准正二进制编码。需要留意，该芯片的Bit1管脚数据位是MSB（Most Significant Bit），即最高位。
3 系数生成
系数使用matlab的filter designer辅助设计并量化。
4 仿真
仿真输入数据为7.5MHz和250KHz的叠加波，具体滤波效果如下.
低通：
高通：
5 实测
低通：
高通：
6 尚留疑问
对于128阶的FIR滤波器，我发现滤波器的过渡带宽比较大，从通带到阻带大概有几百KHz,在不增加阶数的条件下，如何减小过渡带宽是一个问题。
参考资料：
https://blog.csdn.net/k331922164/article/details/117536723
https://www.runoob.com/w3cnote/verilog-fir.html
