CIC滤波器论文

课程设计(论文)说明书题目：基于Dspbuilder的CIC插值滤波器设计院（系）：信息与通信学院专业：通信工程学生姓名：孙望学号：0900210225指导教师：刘争红职称：讲师2012年5月20日1摘要随着数字信号处理技术的发展，软件无线电技术也出现了新的景象，软件无线电逐渐取代了传统的“纯硬件电路”的无线通信模式，其思想是在特定的硬件平台上用软件实现通信的功能，但随着随着系统的功能逐渐复杂化，一块芯片上需集成各种各样的功能，这个时候，优化有限的资源实现更多的功能就成了需要工程师必须考虑的问题。而在广泛运用的FPGA系统中，众所周知的是，FIR滤波器运用了大量的乘法器，而乘法核在FPGA系统中，将会浪费很多的资源，这是很不可取的。在多速率信号处理和通信系统中，由Hogenauer率先引进了CIC滤波器。早在1981年，Hogenauer就在IEEE上发表了一片著名的论文，他首次将CIC滤波器引入信号处理世界。而如今，CIC滤波器已经广泛应用于多速率信号处理和通信系统中。CIC滤波器是一种极、零点相消的FIR滤波器，只有加法和延时运算，没有一般FIR滤波器所需的大量乘法运算，所以通常工作在系统中运算量最大的第一级，可以节省资源，降低功耗。本文所设计的CIC插值滤波器，首先用Simulink建立CIC插值滤波器模型，仿真实现CIC滤波器插值功能。当验证模型的正确性后就将其优化，并在Dspbuilder中重新建立该模型，并进行仿真验证，验证正确后，通过SignalCompile编译生成VHDL代码，在QuartusII进行综合编译并完成时序仿真。同时，编写Testbench文件，在Modelsim中完成最后的RTL级仿真。最后将Modelsim的结果和Matlab的仿真结果进行比较，发现完全硬件实现了理论仿真，完成本系统的设计。关键词：CIC滤波器；FPGA；Simulink模型；Dspbuilder；VHDL代码生成；2引言级联积分梳状滤波器，英文名称（CICcascadeintegratorcomb），无线和局域网通信系统发送信号、信息的速度和频率常常超过数字处理能力的上限（比如56Hz）。使用中频（IF）级可将信号频率降低到ADO可以接受的值上（例如100MSa/s）。而信息占据的频带可能比ADC带宽还要低很多（例如，l00kHz）。对窄带通信而言，信道带宽远低于第一个ADO的速率（（fbandwidth/fs）《1）。对于宽带应用，二者带宽需求的差异可小于10倍。不过，ALC采样后的信号在送人“后端”处理器进行分析之前必须首先被下变换到基带。这一般是通过将数字化之后的信号与一个合成的正弦信号（正弦和余弦）混频来完成的，其中合成的正弦信号来自直接数字综合器或DDS。利用这个过程可将期望的信道变换到直流。一旦变换到直流，期望的信道就可以由频率选择滤波器从宽带频谱中选出。不过，所需的下变换必须工作在较高的实时数据率下，这导致无法用普通的FIR从ADO输出中提取期望的信息，这时需要一种快速而简单的解决方案。针对这个问题的一个解决方案是数字下变频器，也称为信道器。首选的信道器结构为级联积分器梳状（CIC）滤波器，或叫做Hogenauer滤波器。本文所设计的CIC滤波器，首先用Simulink建立CIC插值滤波器模型，仿真实现CIC滤波器插值功能。当验证模型的正确性后就将其优化，并在Dspbuilder中重新建立该模型，并进行仿真验证，验证正确后，通过SignalCompile编译生成VHDL代码，在QuartusII进行综合编译并完成时序仿真。同时，编写Testbench文件，在Modelsim中完成最后的RTL级仿真。最后将Modelsim的结果和Matlab的仿真结果进行比较，发现完全硬件实现了理论仿真，完成本系统的设计。正文1概述随着科技的进步，产品项目越来越巨型，动辄几十万行的代码越来越难维护，传统的自底向上的设计方法越来越难满足当今产品设计的需要，为了减少编程人员的工作量和增强代码的可维护性，自顶向下的基于模型的设计应运而生。基于模型的设计中，通过建模和仿真来获得从需求到设计的实现和测试，在开发编码之前的早期开发阶段就对模型进行测试，将产品的缺陷暴露在项目开发的初期，并在开发过程中持续不断地验证与测试，这样工程师就可以把主要精力放在算法和测试用例的研究上，确保规范的完整性和无歧义性，最后自动代码生成有效地减少了人为引入错误的可能，且大大缩短开发周期与成本，降低开发难度，并且软件的一致性好，软硬件整合简单，可靠性高。本设计应用了Simulink和Dspbuiler同时完成CIC插值滤波器的设计与仿真验证，同时经过SignalCompiler完成VHDL代码的自动编译。而上面仅仅是完成算法级的仿真，下面同样，先经过QuartusII自带的仿真功能，验证本系统是否完成了CIC插值滤波器3的8倍插值，同时用Modelsim完成RTL级仿真，并与Simulink的仿真结果进行比较。DSPbuilder简介：Altera可编程逻辑器件(PLD)中的DSP系统设计需要高级算法和HDL开发工具。AlteraDSPBuilder将TheMathWorksMATLAB和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与VHDL综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具的集成。DSPBuilder在算法友好的开发环境中帮助设计人员生成DSP设计硬件表征，从而缩短了DSP设计周期。已有的MATLAB函数和Simulink模块可以和AlteraDSPBuilder模块以及Altera知识产权(IP)MegaCore功能相结合，将系统级设计实现和DSP算法开发相链接。DSPBuilder支持系统、算法和硬件设计共享一个公共开发平台。设计人员可以使用DSPBuilder模块迅速生成Simulink系统建模硬件。DSPBuilder包括比特和周期精度的Simulink模块，涵盖了算法和存储功能等基本操作。可以使用DSPBuilder模型中的MegaCore功能实现复杂功能的集成。Altera还提供DSPBuilder高级模块集，这一Simulink库实现了时序驱动的Simulink综合。AlteraMegaCore是高级参数化IP功能，例如有限冲击响应(FIR)滤波器和快速傅立叶变换(FFT)等，经过配置能够迅速方便的达到系统性能要求。MegaCore功能支持Altera的IP评估特性，使您在购买许可之前，便可以验证功能及其时序。AlteraIPMegaStore网站上为DSPBuilder和IP评估流程提供DSPIP完整介绍DSPBuilderSignalCompiler模块读取由DSPBuilder和MegaCore模块构建的Simulink建模文件(.mdl)，生成VHDL文件和工具命令语言(Tcl)脚本，进行综合、硬件实施和仿真。图示为DSPBuilder设计流程。DSPBuilder是一个系统级（或算法级）设计工具，它构架在多个软件工具之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度地发挥了两种工具的优势【10】。DSPBuilder依赖于MathWorks公司的数学分析工具Matlab/Simulink，以Simulink的Blockset出现，可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，同时又通过SignalCompiler可以把Matlab/Simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件（.vhd）,以及用于控制综合与编译的TCL脚本。而对后者的处理可以由FPGA/CPLD开发工具QuartusII来完成。42CIC滤波器的基本原理级联积分梳状滤波器(cascadeintegratorcombfilter)是高分解率滤波器的一种非常有效的结构，具有结构简单。规整，需要的存储量小的优点。由于不需要乘法器，而且利用积分环节减少了中间过程的存储量，因此常常用在高速采样和插值比很大的场合。CIC滤波器一般由Integrator（积分部分）和Comb（梳状部分）两个基本模块组成。Integrator模块的差分方程为：y[n]=y[n-1]+x[n]转换到Z域后，其传递函数为HI(Z)=1/(1-Z-1)Comb模块的差分方程为y[n]=x[n]-x[n-RD]转换到Z域后，其传递函数为HC(z)=1-z-RDCIC滤波器有2种形式，一种被称为抽取器，另外一种被称为内插器。抽取器是由N个Intergrator模块级联（采样频率为fs），再级联N个Comb模块（采样频率为fs/RD）,结构见图1(a)。而内插器的级联方式则与抽取器的级联方式相反，结构见图1(b)。图1多级CIC结构框图抽取器Z域的传递函数为内插器的Z域的传递函数为5以CIC抽取器的传递函数可以看出，H(z)有RDN个零点，N个极点。所有零点都处于2π/RD处，圆心起始于z=1可以看出，每个不同的零点都重复了N次，而H(z)的极点都处于z=1处。由此可以看出，CIC抽取器的极点抵消情况，CIC滤波器相当于N个矩形冲激响应滤波器的级联。由CIC滤波器的传递函数和图1可以看出，在CIC滤波器中，没有乘法运算，因此CIC滤波器比FIR和IIR滤波器更节省资源，电路也更简单。3CIC滤波器的Simulink仿真实现CIC滤波器分为CIC抽取器和CIC内插器2种类型，但其区别仅仅在于其integrator和comb的级联次序及采样频率的不同。本文将以CIC插值器为例介绍其simulink仿真实现。按照图1(b)的CIC内插器结构框图，我们应先设计comb部分，simulink的模型搭建如下图所示：Comb部分simulink模型由于我们实现的是8倍插值，所以应当实现5级级联，simulink模型如下;将comb部分生成subsystem，完成comb部分的模型搭建。下面，我们继续搭建integrator部分的simulink模型。6首先还是，最基本的integrator的simulink模型如下：其次5级级联的integrator如下图所示：Comb和integrator的模块已经搭建完成，为了实现CIC插值滤波器，须以comb在前integrator在后的顺序，实现CIC插值滤波器的功能。其系统模型如下：为了验证CIC插值滤波器的功能，我们有必要加入一些simulink自带的信号源与示波器，来验证与完善本系统模型。框图如下：7我们设定信号源为离散的正弦信号，其一个周期仅有8个采样点。该正弦信号源的参数设置如下：设置完毕后，本系统即可以开始仿真了。下面点下仿真按键实现仿真，仿真结果如下：由波形可以看出，输入信号为锯齿明显的正弦信号，通过傅立叶变换即发现其为基8波是正弦波，含有众多高次谐波的信号。通过CIC插值滤波器后，高次谐波被滤除，剩下的即为基波正弦信号。仿真结果证明本系统完全实现了CIC滤波器的功能。4CIC插值滤波器通过Dspbuilder生成VHDL代码Simulink的仿真结果证明了本系统的正确性，下面来通过dspbuilder的SignalCompiler生成VHDL代码，具体步骤如下：1.双击SignalCompiler，生成如下的对话框。2.Family设置为CycloneII3.标签选择为Advanced,依次点击CreateProject,Synthesis,Fitter。需要注意的是，必须等每一步运行完后，再点下一步。生成文件为QuartusII的工程文件，在Matlab设计的CIC.mdl同一文件夹下，为cic_dspbuilder文件夹下。至此，dspbuilder转换完成。95CIC滤波器的FPGA实现双击cic.qpf，打开工程文件，将cic2VHDL_GNIDDHHVE3.vhd文件生成symbolfile文件，并新建CIC.bdf文件，搭建CIC滤波器系统，如下图所示：我们先运用下QuartusII自带的波形仿真软件验证一下CIC滤波器。新建vwf波形仿真文件，设置引脚后