[资料分享] 基于FPGA的四阶IIR数字滤波器

摘要：采用FPGA实现四阶IIR数字滤波器，通过两个二阶节级联构成数字椭圆低通滤波器。通带内波纹小于0.1dB，阻带衰减大于32dB。

关键词：四阶 IIR 椭圆滤波器 补码阵列乘法器

常用的数字滤波器有ＦＩＲ数字滤波器和ＩＩＲ数字滤波器。ＦＩＲ数字滤波器具有精确的线性相位特性，在信号处理方面应用极为广泛，而且可以采用事先设计调试好的ＦＩＲ数字滤波器ＩＰ Ｃｏｒｅ来完成设计，例如Ａｌｔｅｒａ公司提供的针对Ａｌｔｅｒａ系列可编程器件的ＭｅｇａＣｏｒｅ，但是需要向Ａｌｔｅｒａ公司购买或申请试用版。另外，对于相同的设计指标，ＦＩＲ滤波器所要求的阶数比ＩＩＲ滤波器高５～１０倍，成本较高，而且信号的延迟也较大。ＩＩＲ滤波器所要求的阶数不仅比ＦＩＲ滤波器低，而且可以利用模拟滤波器的设计成果，设计工作量相对较小，采用ＦＰＧＡ实现的ＩＩＲ滤波器同样具有多种优越性。

ＩＩＲ滤波器主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器几种。给出了以上三种滤波器实现同样性能指标所需的阶数及阻带衰减的比较，如表１所示。

表1 三种滤波器的性能比较

由表１可见，椭圆滤波器给出的设计阶数比前两种低，而且频率特性较好，过渡带较窄，但是椭圆滤波器在通带上的非线性相位响应最明显。本系统选用椭圆函数滤波器进行设计。

数字滤波器实际上是一个采用有限精度算法实现的线性非时变离散系统，它的设计步骤为：首先根据实际需要确定其性能指标，再求得系统函数Ｈ（ｚ），最后采用有限精度算法实现。

根据需要，本系统的设计指标为：模拟信号采样频率为２ＭＨｚ，每周期最少采样２０点，即模拟信号的通带边缘频率为ｆｐ＝１００ｋＨｚ，阻带边缘频率ｆｓ＝１ＭＨｚ，通带波动Ｒｐ不大于０．１ｄＢ（通带误差不大于５％），阻带衰减Ａｓ不小于３２ｄＢ。换算为数字域指标为：Ｗｐ＝０．１π，Ｗｓ＝０．２π，Ｒｐ＝０．１ｄＢ，Ａｓ＝３２ｄＢ。系统函数Ｈ（ｚ）的计算采用Ｍａｔｌａｂ软件比较方便，其中有两个现成的函数可以使用：ｅｌｌｉｐｏｒｄ（ｗｐ／ｐｉ，ｗｓ／ｐｉ，Ｒｐ，Ａｓ）函数用来计算数字椭圆滤波器的阶次Ｎ和３ｄＢ截止频率ｗｎ，而ｅｌｌｉｐ（Ｎ，Ｒｐ，Ａｓ，ｗｎ）函数可以求得直接型椭圆ＩＩＲ滤波器的各个系数。通过调用以上两个函数计算得到的系统函数Ｈ（ｚ）为：

这是一个四阶ＩＩＲ系统，Ｍａｔｌａｂ计算出该系统的频率响应如图１所示，可见满足设计要求。

如果采用直接型结构实现，需用的乘法器和延迟单元相对较多，而且分子和分母的系数相差较大，需要较多的二进制位数才能实现相应的精度要求。

如果采用二阶节级联实现，一来各基本节的零点、极点可以很方便地单独进行调整，二来可以降低对二进制数位数的要求。给出了一个直接型结构转为级联型结构的ｄｉｒ２ｃａｓ．ｍ文件，利用该函数求得系统函数的级联表达形式为：

Ｈ（ｚ）＝Ｈ１（ｚ）×Ｈ２（ｚ）＝（0.11-0.1041z -1+0.11z -2）/(1-1.58z -1+0.6469z -2)×(0.2464-0.426z -1+0.2464z -2)/(1-1.7753z -1+0.892z -2)

由上式可以看出，每个二阶节的分子、分母系数差异减少了。值得注意的是，在分配二阶节的增益时，要保证每个节不会发生运算溢出，可以先用Ｍａｔｌａｂ软件分析计算来合理安排各节的增益。经过计算，本文采用第一级分配０.１１，第二级分配０.２４６４,可以保证在要求的输入范围，没有数据溢出发生。

将第一个二阶节的系统函数表示为差分方程:

ｙ１(ｎ)＝ａ０ｘ(ｎ)－ａ１ｘ(ｎ－１)＋ａ２ｘ(ｎ)＋ｂ０ｙ(ｎ－１)－ｂ１ｙ(ｎ－２)

＝０．１１ｘ(ｎ)－０.１０４１ｘ(ｎ－１)＋０．１１ｘ(ｎ)＋１.５８ｙ(ｎ－１)－０.６４６９ｙ(ｎ－２)

可以看出，一个二阶节的实现需要五次乘法运算、四次加法运算（采用二进制补码将减法运算变为加法运算）。两个二阶节共需要十次乘法运算。虽然现在已有上千万门的ＦＰＧＡ产品可供选用，但是一般应用时全部采用硬件阵列乘法器毕竟不太合适，而如果采用串行乘法器进行分时复用，其工作速度也不太理想。

本文采用一个折中的方法实现，即乘加单元（ＭＡＣ）的乘法器采用阵列乘法器，而不使用串行乘法器，以提高运算速度。需要注意的是，ＭＡＸ＋ｐｌｕｓⅡ的ＬＰＭ库中乘法运算为无符号数的阵列乘法，所以使用时需要先将两个补码乘数转换为无符号数相乘后，再将乘积转换为补码乘积输出。每个二阶节完成一次运算共需要６个时钟周期，而且需采用各自独立的ＭＡＣ实现两级流水线结构，即每个数据经过两个二阶节输出只需要６个时钟周期。

２．１ 系统原理框图

系统原理框图如图２所示，模拟信号经过ＴＬＣ５５１０转换为００Ｈ～ＦＦＨ的二进制数后，送入四阶ＩＩＲ低通滤波器，处理后输出１０位二进制数送ＡＤ７５２０得到双极性的模拟电压输出。

图3 四阶IIR滤波器的顶层原理图

    ２．２ 顶层ＩＩＲ模块

顶层ＩＩＲ模块如图３所示。主要由一个时序控制模块ＩＩＲＣ、两个ＩＩＲ二阶节模块（ＩＩＲ１和ＩＩＲ２）构成。ＩＩＲ模块设计为１０位二进制补码输入，最高位ａｄ９为补码符号位，次高位ａｄ８用于防止运算时的溢出。可见该ＩＩＲ模块实际可以输入９位二进制补码数，但ＴＬＣ５５１０的输出数据为８位，输入到ＩＩＲ模块时，将ａｄ９和ａｄ８引脚均接地，即输入为正极性电压。

ｃｌｒ输入端为异步清零端，高电平有效。当输入时钟ｃｌｋ为１２ＭＨｚ时，ＩＩＲ模块产生一个频率为２ＭＨｚ的ｃｌｋ＿ａｄ输出时钟提供给ＴＬＣ５５１０。输出数据ｄｏｕｔ为１０位二进制补码。ＩＩＲ１和ＩＩＲ２模块构成级联结构。

２．３ ＩＩＲ１和ＩＩＲ２模块

ＩＩＲ１、ＩＩＲ２模块主要由两个模块构成，一个是数据移位模块，在ＣＬＫ＿Ｒ时钟作用下将差分方程的各ｘ、ｙ值延迟一个时钟；另一个模块是补码乘加单元，用ＶＨＤＬ语言编写，两个乘数先取补后再进行阵列乘法，在ＣＬＫ＿Ｂ时钟控制下完成一次乘加运算，乘积取补后输出，共需要６个时钟。

差分方程的各系数如表２所示，采用１０位定点纯小数补码表示。