基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与实现.pdf

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1、《工业控制计算机》2010年23卷第1期105基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与实现DesignandRealizationofIIRDigitalFilterBasedonFPGA张书召（桐柏鑫泓银制品有限责任公司，河南西峡474750）彭杰（广东工业大学自动化学院，广东广州510090）摘要介绍一种使用二阶节级联方法在FPGA上实现任意阶数的IIR（无限脉冲响应）数字滤波器的原理和方法。首先在Matlab软件的Simulink仿真工具箱上设计了符合要求的滤波器，进一步通过VerilogHDL硬件描述语言加以描述，最后在Al

2、tera公司的QuartusⅡ软件上实现了IIR滤波器的设计、综合和仿真。这种设计方案的选择使得最终的设计产品具有更好的灵活性和适应范围。关键词：二阶节，IIR数字滤波器，FPGAAbstractThispaperintroducesamethodofusingcascadedsecondorderblockswhichbaseonFPGAtoimplementtheprinci-pleandmethodofanyordernumberIIR(infiniteimpulseresponse)digitalfilter．First,

3、thefilterinaccordancewithrequire-mentsisdesignedintheMatlabsoftwareSimulinktoolbox,moreoveritisdepictedthroughthehardwaredescriptionlan-guageofVerilogHDL,andfinallyuseAlteraQuartusⅡsoftwaretoimplementthedesign,synthesisandsimulationofIIRfilter．Thiskindofdesignschemema

4、kesthefinaldesignproductswithgreatflexibilityandrange．Keywords:secondorderblocks,IIRdigitalfilter,FieldProgrammableGateArray数字滤波器(digitalfilter)是由数字乘法器、加法器和延时对于每一个二阶子系统，可以用转置直接Ⅱ型结构加以实单元组成的一种装置，其功能是对输入的离散信号的数字代码现，如图1所示。进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计

5、算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。相比于模拟滤波器来说，数字滤波器具有无漂移，能够处理频率较低的信号，频率响应可以做到非常接近理想滤波器的特性，精度高，容易集成，易于修改等优点，这使得数字滤波器在近些年得以迅猛的发展。1IIR数字滤波器的原理和设计图1直接П型结构数字滤波器从实现的网络结构或者从单位脉冲响应的长度采用这种级联结构实现采用二阶节级联实现，一方面各基不同，可以分为无限脉冲响应（IIR）滤波器和有限脉冲响应本节的零点、极点可以很方便地单独进行调整，另一方面可以降（FIR）滤波器，两者的设计方法、性能、结构等

6、方面都有很大的差低对二进制数位数的要求，所需的存储单元较少，在硬件实现时别。当系统没有严格的相位要求的时候，IIR滤波器以较少的阶甚至还可以用一个二阶节进行时分复用，进一步降低对FPGA数即可完成FIR滤波器较多阶数的幅频特性，而且成本低，信号硬件资源的要求。延时少。因此工程实际应用中往往采用IIR滤波器。1．2IIR数字滤波器设计1．1IIR数字滤波器的结构本系统以设计一个4阶低通滤波器为例，通频带衰减不得高阶IIR数字滤波器可以用传递函数表示为：N低于3dB，阻频带衰减最少低于50dB，上限阻带频率为－k－1－NΣbb＋bz＋

7、…bzkz300Hz，采样频率为1000Hz，采用椭圆滤波器来设计，在MAT-01Nk＝1H（z）＝＝（1）－1－MMLAB中调用ellip()函数计算，[b,a]＝ellip（4，3，50，300／500），可1＋az＋…＋az－k1M1＋Σakzk＝1以求得直接型椭圆IIR滤波器的各个系数为a＝[1，－0．02621，任何的高阶滤波器都可以由若干二阶网络级联而成，其主1．0095，－0．2549，0．35961]，b＝[0．00056，0．36745，0．52014，要方法就是将传递函数分解成二阶子系统的乘积形式，可用下0．3

8、6745，0．11156]。这是一个四阶滤波器，因此需要2个二阶节式表示：级联来实现，将(2)式分解成2个传递函数的乘积，可用下式表n示：H（z）＝G仪Hk（z）（2）－1－2－3－4K＝10．11156＋0．36745z＋0．52014z＋0．3