[發(fā)明專利]一種基于FPGA的高采樣率FIR濾波等效實現(xiàn)方法

有效

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• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107707219B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設計）人: 郭連平;曾浩;譚峰;邱渡裕;郭祥鞏;李煜
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03H17/00
• 分類號: H03H17/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

本發(fā)明公開了一種基于FPGA的高采樣率FIR濾波等效實現(xiàn)方法，先利用MATLAB工具設計FIR濾波器系數(shù)h(n)，并將系數(shù)h(n)進行放大、取整，使得到的系數(shù)能夠被FPGA直接采用，然后在FPGA中將輸入的ADC高采樣率信號降速為M路并行低速采樣信號，并獲取一個數(shù)據(jù)同步時鐘CLK周期內(nèi)產(chǎn)生M個輸出樣點的所有輸入樣點和輸出樣點，最后對M路信號進行拼合得到高采樣率濾波輸出信號。

技術領域

本發(fā)明屬于FIR數(shù)字濾波技術領域，更為具體地講，涉及一種基于FPGA的高采樣率FIR濾波等效實現(xiàn)方法。

背景技術

FIR濾波器(Finite Impulse Response)即有限長單位沖激響應濾波器，又稱為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最為基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領域都有著廣泛的應用。

在進入FIR濾波器前，首先要將信號通過ADC進行模數(shù)轉換，把模擬信號轉化為數(shù)字信號。為了使信號處理能夠不發(fā)生失真，信號采樣速度必須滿足奈奎斯特采樣定理，一般取信號頻率上限的4-5倍作為采樣頻率。可采用FPGA或者通用DSP芯片來實現(xiàn)FIR濾波器。FPGA有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號處理任務，相對于串行運算為主導的通用DSP芯片來說，其并行性和可擴展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以設計出高速的FIR數(shù)字濾波器。

隨著科技的發(fā)展，各種電子信號呈現(xiàn)出復雜化、多樣化的特征，導致其頻率范圍越來越寬。因此，將該信號數(shù)字化需要更高的ADC采樣率。目前市面上已有幾十GSPS甚至上百GSPS的ADC芯片面世，其采樣輸出數(shù)據(jù)也具有相當?shù)臄?shù)據(jù)率。然后，目前絕大多數(shù)高端FPGA芯片的最高系統(tǒng)時鐘不超過1GHz，若要直接利用FPGA實現(xiàn)上述高數(shù)據(jù)率數(shù)字信號的FIR濾波明顯是不可能的。

常見的采用FIR濾波器處理高數(shù)據(jù)率輸入數(shù)字信號有如下兩種情形。

第一種情形如圖1所示。假設ADC采樣率為1GSPS。由于FPGA中無法直接處理1GSPS的采樣數(shù)據(jù)流，故由FPGA中集成的高速接收器接收并將1GSPS數(shù)據(jù)流降速分為4路250MSPS數(shù)據(jù)流。利用4個一定存儲深度(設均為1K)的FIFO分別存儲4路250MSPS數(shù)據(jù)流。待FIFO滿后，停止FIFO些操作。在250MHz時鐘控制下，從4個FIFO中依次讀出采樣數(shù)據(jù)拼合成一路1GSPS的數(shù)據(jù)，再進行FIR數(shù)字濾波，最終可以得到4K的濾波后數(shù)據(jù)。這種情況下，1GSPS的待濾波數(shù)據(jù)流是通過多路數(shù)據(jù)拼合得到的，而且在拼合的過程中，F(xiàn)IFO的寫操作是停止的。而ADC的采樣仍在進行，導致FIR濾波期間ADC采樣數(shù)據(jù)全部丟失。對FPGA中實現(xiàn)的FIR濾波操作來說，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的不間斷連續(xù)流水線操作。

第二種情形基于多相濾波理論，如圖2所示。設ADC采樣輸出信號x(n)的采樣率為f_s，該頻率高于FPGA能夠實現(xiàn)的最高系統(tǒng)頻率。經(jīng)過內(nèi)部高速接收器接收降速為M路采樣率為f_s/M的數(shù)據(jù)流x_i(n)(i＝0,1,...,M-1)。對得到的M路數(shù)據(jù)流x_i(n)進行多相FIR濾波，其中E_i(z)為以采樣率f_s設計得到的原型濾波器的分支濾波器。輸出信號y(n)的采樣率降為ADC采樣率的1/M，即f_s/M。圖2所示濾波結構不涉及緩存存儲器，即可以實現(xiàn)濾波結構的連續(xù)流水操作，但是其輸入輸出信號的采樣率已經(jīng)發(fā)生了變化，即無法實現(xiàn)始終等效以ADC采樣頻率對輸入信號進行濾波。

目前，需求系統(tǒng)等效實現(xiàn)以ADC采樣頻率對其采樣輸出進行不間斷的連續(xù)流水濾波操作，同時，還要求濾波輸入輸出信號的采樣率保持不變，因此，以上兩種濾波接收均不能滿足需求。

發(fā)明內(nèi)容