积分梳状数字滤波器的设计

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?９７６?

文章编号：ｉ６２ｉ一４５９８（２００５）０９０９７６～０２计算机测量与控制．２００５．１３

（９）

ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃ

ｏｎｔｒｏｌ

中图分类号：ＴＮ７４１

文献标识码：Ｂ

设计与应用

基于ＦＰＧＡ的级联积分梳状滤波器设计与实现

Ｏ

李铜川，陈铭，薛敏彪

（西北工业大学，陕西西安７１００７２）

摘要：１Ｘ，软件无线电ｔ｝ｌ的多速率信号处理．介绍ｒ级联积分梳状滤波器的基本组成及设计原理，给出了基于ＦＰＧＡ的具体设计

方案及实现方法。仿真结果表明，该设计简单合理，使用灵活方便，具有良好的性价比，可应用于各种多速率信号处理系统。

关键词：级联积分梳状（ＣＩＣ）滤波器；ＦＰＧＡ；Ｍｏｄｅｌｓｉｍ；Ｓｙｎｐｌｉｆｙ

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ

ＣａｓｃａｄｅＩｎｔｅｇｒａｔｏｒＣｏｍｂＦｉｌｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ

ＩｉＴｏｎｇｃｈｕａｎ，ＣｈｅｎＭｉｎｇ，ＸｕｅＭｉｎｂｉａｏ

（ＮｏｒｔｈｗｅｓｌｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉ一一ｒａｔｅｓｉｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＣａｓｃａｄｅＩｎｔｅｇｒａｔｏｒＣｏｍｂｆｉｌｔｅｒａｒｅｉｎ—

ｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄａｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｉｓｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ

ａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｔｏｕｓｅ．ｏｆｈｉｈｒａｔｉｏｆｏｒｑｕａｌｉｔｙｔｏｐｒｉｃｅ．ａｎｄＣａｌｌｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍｕｌｔｉ—ｒａｔｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣａｓｃａｄｅｌｎｔｅｇｒａｔｏｒＣｏｍｂｆｉｌｔｅｒ；ＦＰＧＡ；Ｍｏｄｅｌｓｉｍ；Ｓｙｎｐｌｉｆｙ

引言

滤波器只需要加减法器和寄存器，而不需要复杂的乘法运算。

制，为此，不同采样率之间的转换对软件无线电的终端来说就

显得尤为重要。级联积分梳状（ＣａｓｃａｄｅＩｎｌｅｇｒａｌｏｒＣｏｍｂ，简

称ＣＩＣ）滤波器就是一种被广泛应用于软件无线电中抽取或者

插值滤波器。由于它不需要复杂的乘法运算，因此在高速率不

宜进行过多的乘法运算的系统中，相对于普通的ＦＩＲ滤波器

来说具有较大的优势，是一种在多速率信号处理中的高效的抽

取或插值滤波器。目前，市场上许多有关多速率信号处理的芯

片中集成了ＣＩＣ，例如许多ＤＤＣ芯片中便有可供选择的ＣＩＣ滤波器。但是，为了能够在我们设计的系统中灵活的使用

ＣＩＣ，因此自行设计ＣＩＣ是很有必要的。本文便以某型号无人机遥测遥控系统的接收机为例介绍了基于ＦＩＧＡ设计的ＣＩＣ

抽取滤波器。

１ＣＩＣ原理组成

ＣＩＣ滤波器是一种基于零极点相抵消得ＦＩＲ滤波器，它由积分和梳状两部分组成，其结构原理如图１所示。其表达式可

以写为下式ｊ：

（１一）、

（１２）Ｎ

其频率响应可以写成下式：

一［

］（２）

收稿日期：２００４—１２—１７；修回日期：２００５—０１—１２。

基金项目：“十?五”国防重点预研基金资助项目（４１３２５）。

作者简介：李铜川Ｉ（１９２１），女，陕西省渭南人，硕士研究

生，主要从事无人机数据链技术的研究。

２ＣＩＣ的设计分析

ＣＩＣ的性能主要由旁瓣抑制Ａ，阻带衰减ａ，以及带内容差等参数指标决定。它们与参数Ｎ，Ｒ，Ｍ的关系分别

为：

Ａ一（１３．４６×＂）ｄＢ（３）

ａ—Ｎ×２０１ｇｂ（４）

ＳｌｎＴｔＤ

其中ｂ表示带宽比例因子，为信号带宽Ｂ与抽取后数据速率

（＿／Ｒ）的比值。由此，可以分析出：增大Ｎ，可以使滤波器的旁瓣衰减Ａ和阻带衰减ａ增大，但是带内容差也同时增大，

考虑到通带的性能，通常Ｎ小于或等于５；Ｍ一般取１或者２；Ｒ的大小必须根据输入数据采样率的大小以及所允许的最大通带衰减来确定，在Ｎ不变的情况下，比例因子ｂ—Ｂ／

（／Ｒ）越小，ＣＩＣ滤波器的通带和阻带特性也就越好。因此，ＣＩＣ抽取滤波器一般用在抽取系统的第一级（输入速率最高）或者内查系统的最后一级（输入速率也是最高）。

在设计中，另外需要考虑的的问题将就是数据位的长度嘲。由于数据在通过滤波器的过程中会有增益，因此我们在

●

置

Ｌ】Ｕ、

Ⅳ阶Ⅳ阶

图１ＣｌＣ设计框图

其中Ｎ，Ｒ，Ｍ分别表示滤波器中积分与梳状部分的级数，抽

取率的大小以及差分延时的大小。由此可以看出实现一组ＣＩＣ

软件无线电接收机的灵活性之一是在于对调制方式没有限

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第

９期

主塑

：篁！茎

姗垒的级㈣联∞积 分 梳状滤波咖 器设计与喜实现 ㈣ ∞

ｏ

? ９７７ ?

Ｏ

Ｉ

５Ｏ

ｌＯＯ

删 Ｚ

图 ２ ＩＩ

ｌ５Ｏ

Ｍｏｄｅｌｓｉｍ 中

的时 序仿 真

图

倍

的

增

加 了

，

为

了提

高

整

个 系统 的工 作频 率

，

因此

加

法

器 的设

计 采

用 了超

前

进

位

链 （Ｃａｒ ｒｙ—

ｌ（）（】ｋ—ａｈｅａｄ），而

不

使

用

普

通

加

法

器

的

级

联 进

位 （Ｒｉｐｐｌｅ—

ｃａｒｒｙ），但

是 ，代 价

就

是 占用 了

更

多

的

系

统

资

源 。

从

节

约

资

源

的

角

度

考

虑 ，整 个设

计

依 次

由

积分

器 、抽

取

器

和

梳

状

部

分

组

成 。这

种

布

局

可 以

为整

个 系统

节

省一

个

因 素

为 Ｒ 的 延 迟 单

元

。

３

基 于 ＦＰＧＡ的 ＣＩＣ 设 计 与

仿真

Ｉ

（ａ）滤

波前 的信 号频

谱

＿

●

ＦＰＧＡ （Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）是

一

种 门

电路

可

以

高

达

上

百

万 ，时

钟

频

率

可 以达 到

几

百 兆

的

可

编

程 逻

辑

器 件

。

以 Ｘｉｌｉｎｘ公

司 的 ＶｉｒｔｅｘＩ１为

例 ，它

的

基

本

组

成 是

可

配

置

逻

辑

模

块

（ＣＩＢ），每 个 ＣＩＢ 由 ２个 Ｓｌｉｃｅ组

成

， 每

个 Ｓｌｉｃｅ内

含

一 个 ４输 入 的 查 找

表

（ＬＵＴ），一 个

进位 逻辑

和 一

个触 发器

。 根 据 该 飞 行 器 遥 控 遥

测

系统 设

计

的要

求

，基 带 信 号 带 宽

约 ５Ｍ ．采 样 速

率 为 １８０ＭＨｚ，由

于 该

信

号

为

扩 频

信 号

，后

续 的 匹 配 滤 波 器 要 求 信 号 有 一

定

的 的过 采

样

，再 考 虑 到 通

带

和阻

带

Ｉ

∥ Ⅷ Ｚ

（ｂ）滤波后的信

号频谱

．ｊ

的

衰

减 特

性 ，

最

后 取 Ｎ

一 ５，Ｍ

－ ２，Ｒ一

４。

经

计 算 后

得 到 ，

通带 衰

减

约

为 ４ ｄＢ。

阻带

衰 减

约

为 ６０ ｄＢ。并

且

考

虑 到

在

同

一

片 ＦＰＧＡ 中还

需

集

成

其

它

功 能

。

因此

选

择 了 Ｘｉｌｉｎｘ公 司 Ｖｉｒｔｅｘ

图 ３ 信 通

过 ＣＩＣ前

后 的频 谱

图

Ⅱ系

列 ＸＣ２Ｖ１０００作 为

硬

件 开

发

平 台

。该 芯

片 的

容 的

量

为 ４Ｏ

×３２个 ＣＩ Ｂ （可

配

置

逻

辑

：央）。

设 计

过

程

中

必

须

相

应

的

扩

大

数

据

的

位

数 ，以

减

少误 差

。可 以

看

到 ，数

据

通 过 ＣＩＣ

的

最

大增 益

是

直

流增 益

，

即

在 开 发 过 程 中 ，采 用 了 ＶＨＤＩ 语 言 ，

运 用 Ｍｅｎｔｏｒ

Ｇ．． 一 Ｈ

（ ）Ｉ一 （ＲＭ

）

（６）

Ｇｒａｐｈｉｃ公 司

的 Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ＳＥ ５．７ｇ进

行 了模

拟 与仿 真

，

作

为

合

成工 具

，

最

后

用 Ｘｉｌｉｎｘ公

司 的 ＩＳＥ６．１Ｏ３进

行

布线 和下 载

。

所

以

，

在 ＣＩＣ

内

部

，

数据

位

数

也

应 相

应

的扩

展 ：

Ｂ ， 一

Ｎ × ｌｏｇ ２（ＲＭ ）

（７）

图 ２为 ＣＩＣ

在 Ｍｏｄｅｌｓｉ 中得 到 的仿 真 时

序 图

，

图 ３ （ａ）

为

滤

波

前 １８０Ｍ

Ｈｚ的

高

速

数

据 ，

（ｂ）

为滤

波

后 ４５Ｍ

Ｈｚ的

低

速

由

于数

据

位 的

扩 展 ，使

得 ＣＩＣ

内

部 的

加 法

器 的

长 度

也

成

图４ＳｙｎｐｌｉｆｙＰｒｏ综合后的电路图

（下转第９８７页）图４ＳｙｎｐｌｉｆｙＰｒｏ综合后的电路图

（下转第９８７页）

维普资讯 831c7a6727d3240c8447ef69

第 ９期

王卫

辉 ，等 ：

图像

识

别

技

术

在光 电 自动

定 向系

统

中

的

应

用

? ９８７ ?

实

现

模

板

匹

配

的

关

键

在

于

对

两

幅 图像 Ｔ和 Ｓ （ ， ）

之

间

的

差

异

给

出一 个 度

量

，根 据 此 度 量 值 来 判

断

图像 Ｔ 和 Ｓ （ｉ， ）之 间 相 匹

配

的程

度

。经

典

的匹 配 度 量 常

用

的有 两

个

， 即互 相 关 度 量 Ｒ （ｉ， ）和 绝 对 差 度 量 Ｅ （ｉ， ），其 定 义 如

下 ： Ｍ

ｓ （ ，”）× Ｔ（ ，”）

Ｒ（ｉ， ）一 兰 ＝ ＝

— — ＝ （８）

＾

／∑∑［ｓ （，”）］ ＾／∑∑［Ｔ（，”）］ Ｅ（ｉ，）一∑

∑ （，”）一Ｔ（ｍ，”）１

（９） ｍ

１ Ｎ — ｌ

公

式 （８）和 （９）

中 Ｓｉ （

， ”）

代 表 子 图 Ｓ

（ｉ， ） 的

像

素 值 ，Ｔ （

，”）代 表 模

板 Ｔ 的像 素 值 。互

相

关

度

量 Ｒ （ｉ， ） 用 来 度 量 Ｓ （ｉ， ） 和 Ｔ 之

间

的

相

同性 ，Ｒ （ ， ）

越

大 就

意

味 着 Ｓ （ｉ， ） 与 Ｔ 越

相 近 ；绝

对

差

度

量 Ｅ （ ， ）用

来 度

量

Ｓ

（ ，ｊ）和 Ｔ之

间

的差 异

性

， 因而 Ｅ （ｉ， ）越

小 ，Ｓ

（ ， ） 和 Ｔ就 越 相

近

。

从

已

获取

的 图像

分 割 出标

杆

作 为模 板 ，为

了 减 小

运

算

量

， 尽 量 把 模

板 取得

小

一些 ，本 系统 取模

板

的 宽 度 为 标

杆

宽 度

的 ３

倍 ，

高度

和标

杆

相 等

，也就 是 在 标

杆 的左 右各

留 出

一个 标杆

宽

度

的 空 白

。按

照绝

对 差 量

度

的 算 法

进

行 运

算 ，分

析

运

算 结

果 ：

Ｅ （ｉ， ）值 最

小

的

点

（ｉ， ）

就

是

标

杆

最

左

上 角

的

点 ，包

含 它 的 子

图 Ｓ

（ ， ）就 是 标

杆 图像

。

设 计 中 重 点

考 虑

的 是

标 杆

的 竖

直

位

置 。设 匹 配

的 结

果

为 （ｉ，

），则 ＋ ｍ／２即 为 标 杆 中 轴 线 像 素 的 横 坐

标

，ｗ

／２与 ＋ ｍ／２的 差 值 包 含 了 瞄 准 仪 所 要 旋 转 的 角 度 和

方

向信

息

， 以此

控

制

光

电准 直 经 纬

仪

回转 部 转

动

， 即可 进 行 照

准

。图 １所

示

的是

照

准

的一 次 实

例 ，其

中 （ａ） 为 完 成 预

处

理

后

的

图像 ，

（ｂ）

为 照 准

后

的

图像

， （ｃ） 为模

板

。 ＠ ｏ

（ａ）

（ｂ）

图 １ 模

板

匹

配

结

果

示

意

图

（上 接 第 ９７７页 ）

数 据 。

图 ４为

在 Ｓｙｎｐｌｉｆｙ Ｐｒｏ ７．５．１中

综

合 后 的

电

路

图

，

耗

费

的 资 源

为 ２２３个 ＬＵＴ，约

占 ＸＣ２Ｖ１０００总

资

源

的 ２ ，最

高

频

率

可

达 ２８０ ＭＨｚ左

右 。

４ 结 论

由于 ＣＩＣ滤 波

器 的

带 内

容 差 对

带 宽 比

例 因

子

要 求 较 高 ， 因

此

它

只

适

合

于

作 抽 取

系

统 的第 一

级 或

者 插 值

系

统 的

最

后 一

级

，对

于

带

宽

比

例

因 子

很 低

的

多

速

率

系

统 ，还

需

要 更

复

杂

的

，

测

试

结

果

与

仿

真

结

果

拟

和

较

好 。

由于

它

可 以根

据

不 同应 用

的需

要 随

时更 改

参

数 ，

所

以可

推

广

应 用

于其 它

多速

率 系统 中

。

（１）

模

板

匹

配

误

差 ：

由

于

照 准

标 杆 的距 离

并 不

是 固

定 值

，

造

成 图像

中标

杆

的大 小 随 着 照 准 距

离

而 波动 ，而模

板

中 标 杆

的 大 小

是 固定

的 ，这 会 造

成 一定

的 匹

配误

差

。 （２）竖

向误 差 校

准

：在 标 杆 识

别

中 ，关 键 要

得

到标

杆

轴

线

的

准确

位

置

，至

于径 向位

置则 不作 严格

要

求 ，所

以 可 以 把 模

板 的 长

度

取得

稍 短

一些 ，保

证

在 竖 直 方 向 不会

产 生

匹 配 误

差

。

（３）横 向偏 差校 准

：匹配 结

果 的横 向偏

差是

有

限

的

，以

某

型 航 天 器 的 瞄

准

仪

视

场

角

为

试

验

条

件

测 定

，在

规 定

照

准

距

离 内

，标 杆 图 像 宽 窄 的 差 异 不 超 过 两 个 像

素

。

初 次 匹 配 满 足 条 件

后

，再 按 下 式 计

算

：

Ｍ

Ｐ（，）一∑ ∑

（ｓ。（，”）一Ｔ（ｍ，”）） （１ｏ） ｍ： ｌ Ｎ ＝ ｌ

如 果

式 （１０）计

算

的

量

差 为 ０，说

明 匹 配 是 准

确 的

；量

差 为

负 ，标

杆 比模 板

小

；量 差 为

正

，标

杆 比子 图大

；以 此 为 依

据 对 标 杆 轴

线

的位

置进 行 修

正

。 ５ 结

论 标

杆识

别

的

成

功

与

否 ， 对

航

天

器

的 射

击

精

度 有

着

直

接

影

响 ，本 文选

取 了 时 间 复杂

度

和 空 间 幅度 都

很

大 的 预处 理 及 识

别 算 法

，以 保证

识

别 的

成功

率 与

定位

精 度

。经

实验 验

证

，本 文

介

绍 的

图 像 识 别 方 法 抗 干 扰 能 力

强

、识 别 率

高 ，解

决 了 光 照 强

度 不 定 和 随 机 背 景 下 标 杆 识 别 的 难

题

。特 别 适 用

于

自动 光 电 定

向 这 种

对

图像 定 位 要 求 高 的 场

合

，能 够 满 足 航 天 器 发 射 训 练 的

要 求

，对 于 缩 短 航 天 器 发 射 准 备 时

间

、提 高 整 个 系 统

的

自动 化

操

作 程 度 和 操 作 精 度 有 着 重 大

意

义

。 参 考 文

献

：

［１］张宏林．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋数字 图像模 式识别技 术及 工程

实践 ［Ｍ］． 北

京 ：人

民邮 电 出

版社

，２００３． Ｅ２］杨枝 灵 ，王 开．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋ ＋ 数 字 图像 获 取 、处 理 及 实 践应

用

［Ｍ］．北京 ：人 民邮

电出版社，２００３． ［３］章毓晋．图像处 理和分 析 （上 ） ［Ｍ］． 北京 ：清 华大学 出版社

，

２０００．

［４］章毓晋．图像处 理和分 析 （下 ） ［Ｍ］． 北京 ：清 华大学 出版

社， ２０００．

Ｅｓ］赵 君，仇林 庆 ，谷雪 莲．基 于特 征 提取 的 图像 处理 与识 别 研

究 ＥＪ］．仪表技术 与传感器

，２００２，（５）：５１—５２． ［６］成罡 ，金国藩 ，邬敏贤，何 庆生 ，刘海松 ，严瑛 白．基

于绝对差度 量的灰阶图像光学匹配运算 ［Ｊ］．光学技术，１９９９，（１）：７—１１． 参考文献

：

［１］Ｈｏｇｅｎａｕｅｒ Ｅ Ｂ?

Ａｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｃｌａｓｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ

ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎ ＥＪ］?ＩＥＥＥ

?

Ｔｒａｎｓ?

Ａｃ。ｕ ?，Ｓｐ。。。ｈ ｓｉｇ“ ｌ

［２］Ｐ

杨

小 牛

，

楼 才 义．

软 件 无线 电

原理 与 出版社

，２００１．

［３］Ｕｗｅ Ｍｅｙｅｒ—Ｂａｅｓｅ．数

字信

号

处理

的 ＦＰＧＡ

实现 ［Ｍ］

?刘

凌

，

译?北京：清华大学

出版社

，２００３?

４

Ｘｉｌｉｎｘ Ｉｎｃ．

Ｖｉｒｔｅ － Ｉ Ｐｌａｔｆｏｒｍ

ＦＰＧＡ Ｕｓ ｄ

ｅ

［Ｚ］．２０

０４．

’ … … ” Ｌ１

一 ～ … …

… “

ＦｌＲ

器

该 ＣＩＣ 滤 波

器 已

在

上 述

系

统 中

使 用

并

测 试

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/504q.html