FIR滤波器_fir滤波器原理图

1.原理

FIR滤波器是非递归型滤波器的简称，又叫有限长单位冲激响应滤波器。带有常系数的FIR滤波器是一种LTI(线性时不变)数字滤波器。冲激响应是有限的意味着在滤波器中没有发反馈。长度为N的FIR输出对应于输入时间序列x(n)的关系由一种有限卷积和的形式给出，具体形式如下：

                                                             

直接形式FIR滤波器图解：

                                                       

上式表达的是一个N-1阶的FIR滤波器，它有N个抽头（系数）。因此有N个乘法器，N-1个累加器组成。每一个抽头需要消耗逻辑资源的乘法器累加器（ Mac ）单元。

输入信号是有时间性的，随着时间的改变而改变，FIR滤波器最终的输出是各个时刻的输入乘以相应的权重（系数），然后进行叠加输出：

           

---

FIR数字滤波器“移动平均数”为例子：

“移动平均数”就是按我们事先设定的信号个数将输入信号加以平均。譬如，如果我们按每4个信号就做一次平均，那么这个4点的“移动平均数”滤波器就如下图所示：

                             

下图是经过11点和51点“移动平均数”滤波器过滤的信号图：

                                       

“移动平均数”滤波器的频率响应如下图所示：

                                       

如上图所示，随着点数的增加，滚降(ROLLOFF)变陡了，但对旁瓣(sidelobe，衰减部分)的高低影响不大。但是如果我们考虑对滤波器的每个系数采用不同的权重(加权)，而不是像“移动平均数”滤波器那样，用相同的权重(1/4，对4点“移动平均数”滤波器来说)，那么可以期待旁瓣的大小会大大的降低。

对系数采用不同权重的滤波器，我们可以用下面的数学公式来表达：

                              

2.FPGA实现fir滤波器

2.1在MATLAB中输入fdatool即可打开滤波器设计工具，如图7所示。里面可以设置滤波器的类型，采样频率，截止频率等。本设计设置的参数如图所示。

然后将此滤波器系数导出，然后用以下命令将系数放大、取整：

>> Num=round(Num*256)//将系数放大并取整

num=[ 5    17    43    63    63    43    17     5]; 

本设计用于仿真的输入波形是2个正弦波叠加而成，分别是5HZ、45HZ。

Fs = 1000; %采样频率决定了两个正弦波点之间的间隔
N = 256; %采样点数
N1 = 0 : 1/Fs : N/Fs-1/Fs;
s = cos(5*2*pi*N1) + cos(45*2*pi*N1) ;%
fidc = fopen('mem.txt','wb');  %将结果写入mem.txt文件，便于modesim使用
 
for x = 1 : N
    A = round(s(x)*20);%放大
   if (A >= 0)
      bin_x = dec2bin(A, 8);        % 正数的反码和补码都和原码一样,转换位8位
      fprintf(fidc,'%s\n',bin_x);
   else
      bin_x = dec2bin(2^8 + A, 8);
      fprintf(fidc,'%s\n',bin_x);
   end
end 
 
fclose(fidc);

2.verilog

module fir(clk,rst,din,dout,ordy);
 input clk;
 input rst;
 input [7:0] din;
 output [15:0] dout;
 output ordy;
 //matlab fir生成系数 * 256  该滤波器采样率为100Hz,截止频率为10Hz
 parameter coeff1=8'd5,coeff2=8'd17,coeff3=8'd43,coeff4=8'd63,coeff5=8'd63,coeff6=8'd43,coeff7=8'd17,coeff8=8'd5;
 //8个寄存器
 reg  signed [7:0]  sample_1;
 reg  signed [7:0]  sample_2;
 reg  signed [7:0]  sample_3;
 reg  signed [7:0]  sample_4;
 reg  signed [7:0]  sample_5;
 reg  signed [7:0]  sample_6;
 reg  signed [7:0]  sample_7;
 reg  signed [7:0]  sample_8;
 
 reg [18:0] dout;
 reg ordy;
 //输入数据，移位寄存
 always @(posedge clk )
   begin
        if(rst)
		   begin
		        sample_1 <= 8'd0;
				sample_2 <= 8'd0;
				sample_3 <= 8'd0;
				sample_4 <= 8'd0;
				sample_5 <= 8'd0;
				sample_6 <= 8'd0;
				sample_7 <= 8'd0;
				sample_8 <= 8'd0;
		   end
		else
		   begin
		        sample_1 <= din;
				sample_2 <= sample_1;
				sample_3 <= sample_2;
				sample_4 <= sample_3;
				sample_5 <= sample_4;
				sample_6 <= sample_5;
				sample_7 <= sample_6;
				sample_8 <= sample_7;//8个周期完成移位
		   end
   end
 //调用ip，执行乘法
 wire [15:0] p[8:1];
 mult_8 u1 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_1),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff1),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[1])      // output wire [15 : 0] P 设置pipline stage 为3，表示3级延时
);
 mult_8 u2 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_2),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff2),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[2])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u3 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_3),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff3),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[3])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u4 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_4),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff1),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[4])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u5 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_5),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff5),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[5])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u6 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_6),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff6),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[6])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u7 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_7),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff7),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[7])      // output wire [15 : 0] P
);
 mult_8 u8 (
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .A(sample_8),      // input wire [7 : 0] A
  .B(coeff8),      // input wire [7 : 0] B
  .P(p[8])      // output wire [15 : 0] P
);
 //加法第一级
 wire [16:0] s1 [4:1];//加法器的延时为2
 add_16 a1 (
  .A(p[1]),      // input wire [15 : 0] A
  .B(p[2]),      // input wire [15 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s1[1])      // output wire [16 : 0] S
);
 add_16 a2 (
  .A(p[3]),      // input wire [15 : 0] A
  .B(p[4]),      // input wire [15 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s1[2])      // output wire [16 : 0] S
);
 add_16 a3 (
  .A(p[5]),      // input wire [15 : 0] A
  .B(p[6]),      // input wire [15 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s1[3])      // output wire [16 : 0] S
);
 add_16 a4 (
  .A(p[7]),      // input wire [15 : 0] A
  .B(p[8]),      // input wire [15 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s1[4])      // output wire [16 : 0] S
);
 //加法第二级
 wire [17:0] s2 [2:1];
 add_17 a21 (
  .A(s1[1]),      // input wire [16 : 0] A
  .B(s1[2]),      // input wire [16 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s2[1])      // output wire [17 : 0] S
);
 add_17 a22 (
  .A(s1[3]),      // input wire [16 : 0] A
  .B(s1[4]),      // input wire [16 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s2[2])      // output wire [17 : 0] S
);
 //加法第三级
 wire [18:0] s3;
 add_18 a31 (
  .A(s2[1]),      // input wire [17 : 0] A
  .B(s2[2]),      // input wire [17 : 0] B
  .CLK(clk),  // input wire CLK
  .S(s3)      // output wire [18 : 0] S
);
 //计数
 reg [4:0] counter;
 always @(posedge clk)
  begin
      if(rst)
	    begin
		   counter <= 5'd0;
		   dout <= 19'd0;
		   ordy <= 1'b0;
		end
	  else if(counter == 17)
	    begin
	       dout <= s3;
		   ordy <= 1'b1;
		end
	  else
	       begin
		       dout <= 19'd0;
			   counter <= counter + 1'b1;
		   end
  end
endmodule

由于抽头系数N=8，滤波的效果不是太好，可以采用更高阶数的fir滤波器，这里只是做个演示，有何错误之处还请指教！！