基于FGPA實現數字下變頻器的抽取濾波器設計方案詳解

設計數字下變頻器的抽取濾波器是一項艱巨任務。本文介紹一種能夠完成此項任務的簡便、易于理解的流程。

過去半年有幾位客戶請我?guī)椭麄冊O計和實現數字下變頻器所用的降采樣（即“抽取”）濾波器，這種濾波器在軟件無線電與數據采集類應用中都很常見。這項工作即便對于經驗豐富的設計師也不是一件小事。事實上，僅僅算出在FGPA中實現濾波器所需要的資源可能就是一個很大的問題。雖然MATLAB?（MathWorks 開發(fā)）具有用于濾波器設計與分析 （FDA） 的絕妙工具箱，但是它提供太多濾波器設計方法，會讓新用戶無從下手。另外，您必須能夠根據DSP理論解釋MATLAB命令產生的結果，僅僅這一點就需要研究。

拋開理論的細枝末節(jié)，讓我們開始圍繞上述問題探討降采樣有限脈沖響應 （FIR） 濾波器的設計與實現。本輔導資料實際上旨在向您介紹一種簡便、易于理解的流程——從濾波器系數生成到FGPA目標器件中抽取濾波器的實現。所需工具只有MATLAB較新版本（本人仍在使用R2008a）及其FDA工具箱、以及ISE? 11.4套件提供的賽靈思CORE GeneratorTM工具。這些工具是設計多速率FIR濾波器的必備工具。

特別是我們將探討固定降采樣速率變化的兩個實例：整數值與有理值。您應當能夠把我們在本輔導資料介紹的MATLAB指令和CoreGen圖形用戶界面 （GUI） 設置應用到您的設計當中。為了說明公用邏輯塊 （CLB） Slice 、18KB內存RAM塊（BRAM） 和DSP48乘法累加 （MAC） 單元等方面的資源占用情況，我們將采用 XC6VLX75T-2ff484 作為目標 FPGA 器件。

整數倍降采樣器假設基帶中進行解調后按250MHz速率傳輸帶寬只有2.5MHz的信號。我們必須過濾從2.5MHz到 250MHz 的所有頻率，因為它們不傳輸任何有用信息；這正是我們準備設計和實現的低通 FIR 濾波器的目的。根據尼奎斯特定理，輸出數據速率是信號帶寬的兩倍；因此，我們需要按照M=50的整數倍對其執(zhí)行降采樣。我將介紹兩種采用多級濾波方法的可行備選實現方案：第一種方法采用三個串聯的 FIR 抽取濾波器，而第二種方法則同時采用級聯積分梳狀 （CIC） 濾波器與FIR濾波器。

以下是用于設計理想濾波器的MATLAB代碼。我們假設通帶和阻帶頻率的衰減分別為0.1dB和100dB。

假設FPGA時鐘頻率Fclk=Fs_in，那么在Virtex?-6器件中我們需要多少個DSP48 MAC單元？它是用于按M進行降采樣的濾波器。根據FIR Complier 5.0數據手冊 （fir_compiler_ds534.pdf） 詳細闡述的理論，我們可以把DSP48 MAC分成M個相位，因此引入“多相”這一術語。由于每個相位都是按更低的輸出頻率 Fs_out 進行處理，因此可以按時分復用方式共享DSP48 MAC。以下理論計算表明，FIR-Compiler在通過多相分解方式實現濾波器時采用最小的22個MAC單元（total_num_MAC_ref ）。濾波器長度是2100 （total_num_coeff），填寫0成為M的整數倍。請注意：此方案考慮系數對稱性。

在MATLAB中可以輕松按低通濾波建立抽取過程模型，然后按M降采樣，最終分別產生y與y_filt輸出信號。不過，在FPGA器件中，這種實現方式效率不高：它會很笨地計算隨后必須拋棄的值。相反，多相抽取器把輸入信號降采樣到M個wk通道，每個通道由其自身的子濾波器ph（k，：） 過濾。部分結果y_out（k，：） 然后匯總在一起組成最終輸出y_tot。把y_tot與本機MATLAB指令產生的基準 y 對比，結果表明最終輸出均處于數值精度3e-15范圍內（由于不同運算階數而出現偏差）。

為了設計參考濾波器，CoreGen FIR-Compiler需要名為“COE 文件”的系數文本文件。以下MATLAB例程說明如何以十進制基數輕松生成此 COE 文件；FIR-Compiler 然后按照所采用的設置量化相關系數。

圖1與圖2說明FIR-Compiler GUI頭兩個頁面所應用的設計參數；在最后兩個頁面我只需接受其默認值，但是“優(yōu)化目標 （Optimization Goal）”除外， 我把它設為“速度 （Speed）”而非“區(qū)域 （Area）”。如無明確說明，我在本文件以及下面例子中始終采用上述設置。在完成ISE 11.4布局布線之后，參考單級降采樣濾波器占用以下FPGA資源：

Slice觸發(fā)器數量：1，265 個

Slice LUT數量：1，744 個

占用的 Slice數量：502 個

DSP48單元數量：22 個

圖 1. 50整數降采樣?

圖 2. 50整數降采樣?

三個FIR濾波級串聯

現在我們以濾波級串聯方式實現理想抽取濾波器。這種方法可以讓我們通過時分復用節(jié)省MAC單元，因為每個新的濾波級都是按前一級提供的較低數據速率運行。我讓FDA工具決定最佳濾波類型：利用 MATLAB 指令信息，您可以看出：它會提出三級解決方案建議，其抽取因數分別是M1=2、M2=5和M3=5。

圖3顯示了組成上述多級系統的三個濾波器的頻率響應。藍色曲線代表第一個降采樣濾波器（M1=2）；綠色曲線代表第二個濾波器 （M2=5），按Fs_in/M1倍數周期波動；而紅色曲線則代表第三個降采樣器 （M3=5），按Fs_in/（M1*M2）倍數周期波動。

圖 3. 通過串聯三個FIR濾波級進行的按 50 整數抽取，此處單獨放大顯示0~25MHz頻率。

用于三級濾波器的FIR-Compiler設置與圖1及圖2所示大同小異。第一個濾波器唯一不同的參數是COE文件名和“抽取率值”，其分別設為filt1_rad10.coe和M1=2。第二個濾波器COE文件名是filt2_rad10.coe，抽取率值為M2=5，輸入采樣頻率此時為125MHz，因為第二級按M1=2抽取來自第一級的輸入數據。最后，第三個濾波器參數的唯一區(qū)別是COE文件名為filt3_rad10.coe，抽取率值為M3=5，輸入采樣頻率此時為25MHz，因為第三級按M2=5抽取來自第二級的輸入數據。

在布局布線后，三個濾波級占用以下FPGA資源：

第一級（M1=2）：

Slice觸發(fā)器數量：280 個

Slice LUT數量：208 個

占用 Slice數量：62 個

DSP48 MAC單元數量：3個

第二級（M2=5）：

Slice觸發(fā)器數量：236個

Slice LUT數量：168 個

占用 Slice數量：60 個

DSP48 MAC單元數量：3 個

第三級（M3=5）：

Slice觸發(fā)器數量：357 個

Slice LUT數量：414 個

占用 Slice數量：158 個

DSP48 MAC單元數量：4 個

由于采用上述多級方法，我們現在比參考濾波器最初的22個DSP48 MAC單元少用了12個單元；與單級理想濾波器占用資源相比，我們節(jié)約了30%左右的觸發(fā)器，55%的LUT，44%的slice和54%的DSP48單元。

與CIC濾波器串聯

另一種按50抽取的可行方法是把級聯積分梳狀 （CIC） 濾波器 和CIC補償降采樣級串聯在一起，其變化速率分別為M1=10與M2=5。CIC濾波器是一類特殊的FIR濾波器，由N個梳狀濾波器和積分器組成（因此產生“第 N 級”術語）。盡管梳狀濾波器仍然可以實現成一種“傳統的”基于MAC的FIR濾波器，不過CIC架構之所以有趣是因為它不需要任何MAC單元，因此可以用CLB sclice替代DSP48單元，參閱CoreGen CIC-Compiler 1.3數據手冊（cic_compiler_ds613.pdf）。

按M1=10抽取的第一級CIC濾波器頻率響應較差，因此需要采用一個按M2=5抽取的補償FIR濾波器，以彌補第一級CIC濾波器本身通帶的下降。以下MATLAB代碼說明如何采用FDA工具設計此類濾波器。

圖4為賽靈思CoreGen CICCompiler 1.3 GUI設置的第一個頁面；其它參數采用默認值，“使用Xtreme DSP Slice”可選參數除外?

圖 4. 按10抽取的CIC濾波器的設置?

其允許采用或不采用DSP48單元實現梳狀濾波器。FIR Compiler GUI中的CIC補償FIR濾波器設計參數與圖1及圖2所示相同；唯一不同的設置是 COE 文件名（此處是ciccomp_ dec5.coe），抽取率值為M2=5，而輸入采樣頻率為25MHz。

在布局布線后，兩個濾波級占用以下FPGA資源：

第一級（按10抽取的CIC濾波器，不使用“采用Xtreme DSP Slice”）

Slice 觸發(fā)器數量：755 個

Slice LUT 數量：592 個

占用 Slice 數量：172 個

DSP48 MAX 單元數量：0 個

第一級（按10抽取的CIC 波器，使用“采用 Xtreme DSP Slice”）

Slice 觸發(fā)器數量：248 個

Slice LUT 數量：154 個

占用 Slice 數量：42 個

DSP48 MAC 單元數量：7 個

第二級（按5抽取的CIC補償FIR濾波器）

Slice 觸發(fā)器數量：271 個

Slice LUT 數量：312 個

占用 Slice 數量：114 個

DSP48 MAC 單元數量：3 個

兩種結果都很有趣，而是否選擇使用Xtreme DSP slice取決于設計人員最需要節(jié)約哪些資源。我個人選擇“采用Xtreme DSP Slice”選項。與單級濾波器相比，我們可以節(jié)約大約59%的觸發(fā)器，73%的LUT，69%的slice和54%的DSP48 MAC單元。代價是阻帶衰減更差，其現在是80dB，而非所需要的100dB，如圖5所示。某項設計是否接受該衰減值事實上與應用相關。

圖 5. 三個降采樣器的頻率響應 - 整體速率變化為50，圖中顯示了放大的1.5~3MHz頻段。單級濾波器為藍色，三級濾波器（比例分別為M1=2、M2=5、M3=5）為綠色，基于CIC的二級濾波器（比例分別為M1=10、M2=5）為紅色。

圖5對比上述三種按50降采樣方法：單級、三級（比例為 2-5-5）和CIC濾波器與CIC補償FIR濾波器串聯（比例為10-5）。

有理數降采樣

在此第二個應用示例中，我們假設信號輸入數據速率是50MHz，其必須降采樣到12MHz，因此其需要采用L/M=6/25 的有理數固定速率變化（換句話說，抽取因數為M/L=25/6）。FPGA時鐘頻率假設為150MHz。

如FIR-Compiler 5.0數據手冊所解釋，采用有理數速率變化的濾波器理論上需要兩個處理步驟：按L插值，然后是按M抽取。在我們這個具體例子中，一旦輸入信號按L=6插值，輸出虛擬采樣速率 Fv 就會變?yōu)?00MHz。因此，必須過濾掉Fs_in/2=25MHz與Fv/2=150MHz之間的頻段，以濾除Fs_in整數倍之處的頻譜。在DSP術語中其稱為“圖像”，這正是采用插值“抗成像”低通濾波器的原因。

在上述處理步驟之后、按M最終降采樣之前，我們需要采用低通濾波器濾除從Fv/（2*M）=6MHz到Fv/2=150MHz的頻率，其在DSP術語中稱為“混疊”。由于這兩個低通濾波器是串聯在一起并且按相同的虛擬數據速率Fv運行，因此我們可以使用帶寬較低的濾波器同時執(zhí)行抗成像與抗混疊，從而節(jié)約資源。在我們的例子中，具有最低帶寬的濾波器是抽取濾波器。

以下MATLAB片段說明如何使用單級濾波器設計和模擬上述降采樣器。我們假設通帶和阻帶頻率衰減分別為0.05dB和70dB。

請注意：此MATLAB代碼只是有理數降采樣濾波器的行為模型。在實際硬件多相架構中，您只需實現一個單相濾波器，然后改變每個新輸出采樣的系數即可（按Fclk速率執(zhí)行處理）。其不同于采用整數比的多相降采樣濾波器。

圖6說明FIR-Compiler GUI第一個頁面的設置。其它三個頁面本人采用與第一個整數降采樣應用例子相同的參數。布局布線后的總體FGPA資源占用情況如下：

Slice觸發(fā)器數量：547 個

Slice LUT數量：451個

占用 Slice數量：153個

DSP48單元數量：13

BRAM單元數量：6個

圖 6. 25/6有理數降采樣?

多級方法

FIR-Complier已經為這種多相L/M=6/25濾波器生成了非常小的內核。不過，我們需要再次采用多級方法，因為這種方

法使我們能夠進一步節(jié)約DSP48與BRAM。在手動設計多級系統時， 如本例所示，所有濾波級都必須采用與參考濾波器相同的通帶頻率 （Fpass）。

各級通帶紋波均相等，是由參考濾波器通帶紋波除以級數算出。各級的差異是阻帶頻率。第一級無需在Fstop截止，因

為轉換帶寬會變得太急促（太多系數）；現實中我們所需要的只是讓第一級在Fstop1=Fs_in/M1- Fs_in/（2M/L）截止。實際上Fs_in/M1與其所有倍數此時都是放置所有復本的新采樣頻率，而Fs_in/（2*M1）是Fs_in/M1中第一個復本的帶寬的一半。以下是相關MATLAB代碼。

由于第一級是M1=4整數降采樣器， 因此其FIRCompiler GUI設置與圖1所示非常相似。唯一不同的參數是COE文件名（即dec_L1_M4_rad10.coe）、抽取率值（M1=4）、輸入采樣頻率 （50 MHz） 和時鐘頻率 （150 MHz）。另一方面，第二級采用 L2/M2=24/25 有理數速率變化，因此，FIR-Compiler設置與圖6所示大同小異。此處COE文件名為dec_L24_M25_rad10.coe，插值速率值設為L2=24，而輸入采樣頻率為12.5 MHz。

在布局布線之后，上述兩個濾波級占用以下FPGA資源：

第一級（L1/M1= 1/4）：

Slice 觸發(fā)器數量：321 個

Slice LUT數量：223 個

占用 Slice數量：62 個

DSP48 MAC單元數量：4 個

BRAM單元數量：0 個

第二級（L2/M2 = 24/25）：

Slice觸發(fā)器數量：206 個

Slice LUT數量：209 個

占用 Slice數量：68 個

DSP48 MAC單元數量：3 個

BRAM單元數量：1 個

由于采用多級方法，與單級理想濾波器資源占用相比，我們現在可以節(jié)約 3% 左右的觸發(fā)器，4%的LUT，15%的Slice，46%的DSP48以及83%的BRAM單元。尤其是我們只需少得多的MAC與BRAM單元，分別只有6個和5個。原因是第二個濾波器以更低的輸入采樣頻率運行，而采用整數速率變化的第一個濾波器可以充分利用系數對稱。

其它資源

我們在本輔導資料中介紹了兩個降采樣濾波器例子，一個是整數系數（50），另一個是有理數系數（25/6），而且

本文強調了在MATLAB設計濾波器以及采用FIR-Compiler和CIC-Compiler 在賽靈思FGPA中實現它們的方法。相關數據手冊詳細介紹采用CORE Generator實現濾波器所涉及的參數設置。