基于DSP Builder的CIC梳狀濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：CIC梳狀濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)整，占用存儲(chǔ)量小，不需要乘法器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且速度高等特點(diǎn)，在高速抽取或插值系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。采用DSP Builder軟件工具，在Simulink平臺(tái)上構(gòu)建了一級(jí)4階CIC梳狀濾波器仿真模型，通過(guò)多種EDA工具仿真與分析，最終在EP2C35F484C8型FPGA得到了最高響應(yīng)速度為138.89 MHz的高速CIC梳狀濾波器，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于DSP通用處理器的實(shí)現(xiàn)方式。

0 引言

CIC(Cascade Integrator Comb)濾波器最早由Hogenauer提出，后來(lái)出現(xiàn)了很多改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式。隨著芯片技術(shù)的快速發(fā)展、多相濾波技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及無(wú)線通信市場(chǎng)的迅速成長(zhǎng)，CIC低通濾波器得到了廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，CIC梳狀濾波器一般是在通用DSP處理器上實(shí)現(xiàn)的，由于DSP處理器的順序執(zhí)行特性的限制，其速度很難滿足一些高速抽取與插值系統(tǒng)的需要。FPGA具有優(yōu)良的全硬件并行執(zhí)行的特性，研究CIC梳狀濾波器的設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用DSP Builder建模的方法，研究一級(jí)4階CIC梳狀濾波器及其FPGA實(shí)現(xiàn)方法，為CIC梳狀濾波器設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)的研究提供了一種新的思路。

1 CIC梳狀濾波器原理

CIC濾波器沖激響應(yīng)如式(1)所示：

單級(jí)CIC數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

頻率區(qū)間(0～2π/R)為CIC數(shù)字濾波器的主瓣，其他區(qū)間稱為其旁瓣。不難看出，隨著信號(hào)頻率的增大，CIC數(shù)字濾波器的旁瓣電平不斷減小。其中，第一旁瓣電平表達(dá)式如式(6)所示：

圖2是CIC抽取濾波器的幅頻特性，可見(jiàn)，單級(jí)CIC濾波器的旁瓣電平比較大。

2 基于DSP Builder的FPGA開(kāi)發(fā)方法

圖3是利用DSP Builder軟件工具來(lái)開(kāi)發(fā)FPGA的基本流程。設(shè)計(jì)第一步是建模，主要是調(diào)用DSPBuilder軟件中的元件構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)模型。之后對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真測(cè)試。

仿真通過(guò)之后再運(yùn)行Signal Compiler信號(hào)編譯器將模型轉(zhuǎn)化成寄存器傳輸級(jí)硬件描述語(yǔ)言。然后利用QuartusⅡ軟件進(jìn)行編譯、邏輯綜合、適配(結(jié)構(gòu)綜合)及時(shí)序網(wǎng)表提取等操作，最后生成編程文件和時(shí)序網(wǎng)表文件。最終再下載到FPGA/CPLD芯片上進(jìn)行硬件測(cè)試。

3 CIC梳狀濾波器建模

調(diào)用DSP Builder工具包中的模塊，構(gòu)建了CIC濾波器單元結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。CIC梳狀濾波器主要由加減法器和延遲單元組成。

將基本單元模型封裝成一個(gè)子系統(tǒng)，構(gòu)建一級(jí)CIC樹(shù)狀濾波器仿真模型如圖5所示。濾波器輸入信號(hào)由典型的正弦信號(hào)疊加白噪聲組成，經(jīng)一級(jí)CIC梳狀濾波器后送示波器輸出結(jié)果。

4 仿真與結(jié)果分析

圖6是CIC梳狀濾波器模型仿真結(jié)果，其中圖6(上)為梳狀濾波器輸入信號(hào)波形，圖6(下)為輸出信號(hào)波形。可以看出，經(jīng)過(guò)一級(jí)CIC梳狀濾波器后，輸入信號(hào)中的高頻噪聲得到了較好的抑制。

模型仿真通過(guò)以后，運(yùn)行Signal Compiler信號(hào)編譯器，將模型轉(zhuǎn)換成VHDL語(yǔ)言程序，產(chǎn)生測(cè)試向量文件，然后用ModelSim進(jìn)行寄存器傳輸級(jí)仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出，RTL寄存器傳輸級(jí)仿真結(jié)果與Matlab中模型仿真結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性。

再調(diào)用QuartusⅡ進(jìn)行邏輯綜合與適配，最終在Altera公司CycloneⅡ系列EP2C35F484C8型FPGA上得到了最高響應(yīng)頻率為138.89 MHz的CIC梳狀濾波器，其性能遠(yuǎn)高于采用DSP通用處理器實(shí)現(xiàn)的濾波器。

5 結(jié)語(yǔ)

CIC梳狀濾波器的設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。本文采用DSP Builder系統(tǒng)建模的方法研究CIC梳狀濾波器的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。當(dāng)然，本文只研究了一級(jí)四階CIC梳狀濾波器的性能，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要進(jìn)行二級(jí)或者多級(jí)級(jí)聯(lián)，以提高CIC梳狀濾波器的整體性能。