基于Matlab与Verilog+HDL的FIR滤波器设计与实现

５９．７０％
１００．ｏｏ％ ８１．５４％
从产出方面分析，ＤＥＡ值较低的原因主要是所获嘉奖等级、次数的 产出不足造成的。
参考文献 ［１］魏权龄．评价相对有效性的ＤＥＡ方法［Ｍ］．中国人民大学出版 社．１９８８． ［２］苏时光．普主成分分析及其在多指标评价体系中的应用［Ｄ］．中
国农业大学，２００４． ［３］樊华．ＤＥＡ／ＰＣＡ模型在科技绩效评价中的应用淮海工学院学
ＩＩ．１９９５，４２：５６９２５７７．
（上接第８２页）
为进一步分析没有达到ＤＥＡ有效的派出所存在
的问题，我们借助于投影分析，将非ＤＥＡ有效的决策单元转变为ＤＥＡ
有效时，找出在输入、输出方面的改进工作以及应达到的目标，为今后
提高管理效率提供参考信息。
表３简化后的输入输出指标
Ｘ，
Ｙ１２
Ｙ１３
ＤＭＵｌ
５５
图７滤波前后的心电波形对比图 由示波器的输出波形可以看到，滤波处理几乎没有延时，此ＦＩＲ滤 波器对于原始心电信号的５０Ｈｚ工频干扰、基线漂移、谐波干扰等起到 了一定抑制作用，达到了较好的滤波效果。 ４．结论 本系统较好地完成了基于Ｍａｔｌａｂ与Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＦＩＲ滤波器的 设计与实现。其中采用的并行流水结构拆分了大的组合逻辑，而未占用 紧缺的内嵌乘法器资源，这对ＦＰＧＡ而言是一种先进的设计结构，提高 了本系统的整体性能，具有较好的工程应用价值。文中的Ｍａｔｌａｂ信号分 析方法可针对不同的输人数据，加大了系统的可移植性，并且滤波器系 数只需在编程时调整即可实现实时滤波处理，因此系统具有较好的灵 活性和实用性。
参考文献 ［１］王钿，卓兴旺．基于ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ的数字系统应用设计（第２版） ［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００７． ［２］陈怀琛．ＭＡＴＬＡＢ及在电子信息课程中的应用（第三版）［Ｍ］． 电子工业出版社，２００６．３． ［３］江健康．基于Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＦＩＲ．数字滤波器设计与仿真［１］微 计算机信息，２００７．０３—２—０２０６—０２． １ ４ ＪＤｅｍｐ ｓｔｅｒ Ａ，Ｍａｃｌｅｏｄ Ｍ．Ｕｓｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｍｕｍ２Ａｄｄｅｒ Ｍｕｌｔｉｐ ｈｅｒ Ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ Ｆ ＩｌＬ Ｄｉｓｔａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ ＬＪ Ｊ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＣｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ
万方数据
科技信息
高校理科研究
ＴＬＣ５５１０，为了提高抗干扰能力，用２０ＭＨｚ有源晶振作为第一级采样控
溪黥 ：Ｆ群燃Ｉ。荆陌塑砟堂Ｐ紧 制ＴＬＣ５５１０对外围的心电信号高速采样，并将其采样保存到ＦＰＧＡ内
部寄存器；第二级采样为软件采样，即由ＦＰＧＡ采样控制模块从寄存器 中提取第一级采样结果，该级采样率可调，选取为８ＫＨｚ。
构的方式，用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ编程实现对特定心电信号的滤波，取得较好的滤波效果。 ［关键词］Ｍａｆｌａｂ 心电滤波ＦＩＲ并行流水
１．引言
随着数字科技的日益发展，数字滤波器较之传统的由Ｒ、Ｌ、ｃ元件
和运算放大器组成的模拟滤波器有着无可比拟的优势。常用的数字滤
波器有无限冲击响应（ｔｉｎ）数字滤波器和有限冲击响应（ＦＩＲ）数字滤波
Ｏ．９５
４
ＤＭＵ２
８０
０．９５
１３
ＤＭＵ３
９６
Ｏ．９９
Ｏ
ＤＭＵ４
６７
Ｏ．９６
２４
ＤＭＵ５
７１
１
０
从投入方面分析，非ＤＥＡ有效的派出所有一个共同特点，就是年度
万方数据 ．．．——８４．．．．——
“使用经费”的投入剩余率为零，这说明派出所的资金利用率较高。 表４
Ｉ派出所
Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
Ｅ
指数
１００．００％ ７５．１９％
图５ ＦＩＲ并行流水滤波器实现结构图 从图５可知，带噪的心电信号数字量按照先后次序进入到１７个Ｄ 触发器型寄存器中暂存，然后由对称性将前后两个对称值相加，并在加 法器和乘法器后面都插入相应的流水寄存器，相乘后的结果用平行的 加法器树的结构实现相加。由于本系统是１７阶的ＦＩＲ，因此有９阶对 称系数，实现时只需５级流水，亦即：１６个输入用８个加法器相加构成 第一级流水；９个并行乘法器构成第二级流水；得到的８个中间值两两 相加构成第三级流水；得到的４个中间值两两相加构成第四级流水；最 后得到的２个中间值两两相加构成第五级流水。使用Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ语言 分别编写此ＦＩＲ滤波系统所用到的模块：Ｄ触发器型寄存器、加法器、 乘法器和加法器树，然后在Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ中按照以上的并行流水实现结构 用版图的方式来构建系统。编译后进行系统仿真得到如图６的仿真结 果。仿真波形显示该ＦＩＲ滤波器正常工作，并且在一个时钟周期能完成 一次滤波处理。另外，编译综合的结果显示：系统使用了６９６个ＬＥｓ（逻 辑单元），没有使用内嵌乘法器，系统运行最高时钟频率是１６１．６３ＭＨｚ。 把编译生成的ｓｏｆ文件通过ｒｒＡＧ口可以下载到ＦＰＧＡ中。
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基于Ｍａｔｌａｂ与Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＦＩＲ滤波器设计与实坝
陈新锐１林卿：唐晓虎， 叶志祥１ （１．广西师范大学电子工程学院 ２．广西师范大学物理科学与技术学院）
［摘要］本文设计并实现了一种基于Ｍａｔｌａｂ与Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＦＩＲ滤波器。借助Ｍａｆｌａｂ强大的数值运算功能，对原始的心电波形 数据进行频谱分析从而确定滤波器的抽头系数，利用ＦＩＲ具有的严格线性相位、稳定性高等特性，采用加接寄存器形成并行流水结
ｈ（ｎ）－ｈ（Ｎ一１一ｎ）
（２）
当Ｎ为偶数时，
Ｎ／２－１
Ｈ（ｚ）＝乞ｈ（ｎ）（ｚ、ｚ呻“，
（３）
ｎ＝Ｏ
当Ｎ为奇数时，
（Ｎ－Ｉｖ２一ｌ
，Ｎ－１、
Ｈ（ｚ）：∑ｈ（ｎ）∽舻－州掣一刊
（４）
ｎ－－０
二
简单而言，一个Ｎ阶或者长度为Ｎ的ＨＲ实质就是输入时间序列
ｘ（ｎ）与滤波器脉冲响应ｈ（ｎ）（亦称抽头系数）的有限线性卷积过程，即
报（自然科学版），２００５．６，１４（２）．
图４ ＦＩＲ心电信号滤波的系统框图 系统的电平转换模块。由于ＴＬＣ５５１０信号输出高电平时对应的电 压是＋５Ｖ，而康草核心板Ｉ／Ｏ口在高电平状态下为３．３Ｖ，接口之间存在 着电压差，因此需采用７４ＨＣ２４５进行数据缓冲，以保证系统的安全和 稳定。 系统的ＦＩＲ滤波模块。ＦＩＲ滤波器有３种常用的实现方法：串行结 构、并行结构和分布式结构。考虑到本系统的阶数Ｎ较大，而且硬件资 源和实现速度要均衡，所以选取了如图５的并行流水的实现结构。
原始语音信号频谱 ２０
１５
１０
５ ０
１
一
＾ｋ．。
０
５００
１０００
１５００ ２０００
２５００
３０００
３５００
４０００
ｍ
图１带噪心电信号的频谱图
频率响应图
已
辄 帕帅 乏
晰 删 洲 ｒｎ＾胪。
晰
…州
５０
Ｏ
０１
０２
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０３
Ｏ ４ ０５
０６
０７
０８
０９
１
Ｎｏ ｒｍａｌｉｚｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（×ｍ ｒａｄ／ｓａｍｐｌｅ）
原始心电信号
滤波后的信号当Ｎ｝”
图３当Ｎ＝１７时ＦＩＲ滤波效果图 由图３可以发现当Ｎ＝１７的时候，心电信号已经变得很平缓，噪音 部分被拉得很平，再结合所用硬件资源的考虑，最终选取Ｎ＝１７作为最 逼近理想滤波器特性的滤波器长度即滤波器的阶数。由于此心电信号 是一个频率为２ＫＨｚ的正弦波，采样频率为８ＫＨｚ，将奈奎斯特频率 （４ＫＨｚ）作为参考频率进行归一化处理，则心电信号的归一化频率为０．５， 可以设定带通滤波器的通频带边带频率为１ＫＨｚ和３ＫＨｚ，则此滤波器 相对应的归一化频率为Ｗｃ。＝Ｏ．２５，Ｗａ＝Ｏ．７５。接下来打开Ｍａｔｌａｂ的 ＦＤＡＴｏｏｌ工具箱，选用汉宁窗进行带通ＦＩＲ滤波器设计，输入上述已经 设定的滤波器参数，即可生成实际所需的ＦＩＲ滤波器的１７个抽头系数 （单位脉冲响应），由于抽头系数ｈ（ｎ）的值都是些很小的带符号小数，因 此设计中对所得的这些抽头系数采取分别乘以２５６并取整的方式以得 到能在ＦＰＧＡ中处理的抽头系数。 ３．心电信号ＦＩＲ滤波器的硬件实现 本系统核心是康草Ｖ３．０核心板，其主芯片采用Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ—ＥＰ２Ｃ ２０Ｑ２４０Ｃ８Ｎ，片上资源包括：１８７５２个ＬＥｓ，２４ＫｂｉｔｓＲＡＭ，２６个内嵌乘法 器，４个锁相环，１４２个ＩＯ脚。选取核心板上的Ｉ／Ｏ引脚作为ＡＤ／ＤＡ的 接入、板上电源接出等使用。ＦＩＲ心电信号滤波系统由４大模块组成， 系统框图如图４所示。 系统的ＡＤ模块。采用１１公司的８位高阻抗并行Ａ／Ｄ采样芯片
图２带噪心电信号的频率响应图
从图１可看出带噪信号中的有效心电信号能量集中在２ＫＨｚ和
６ＫＨｚ附近，而系统所用的信号采样的频率为８ＫＨｚ。因此需要选用带通 滤波器来对信号进行滤波处理（带通滤波器（ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）是一个允 许特定频段的波形通过同时屏蔽其它频段的器件）。再通过观察信号频 率响应如图２所示，可看出其增益在—４０ｄＢ左右，这为选取窗函数具体 形式提供了依据。
系统采用窗函数法来设计ＨＲ滤波器，由于汉宁窗函数为：
ｗ（ｎ）＝丁１｛１一ｃｏｓ（；署）ｌ，ｎ＝ｏ“１一，Ｎ一１
（６）
当Ｎ一１一Ｎ，其幅度函数
ｗ小）＝ｏ．５Ｗ舯０．２５［Ｗｎ（ｗ一簪）栅ｎ（ｗ＿等）ｌ
（７）
可看出ｗ—ｗ）由三个部分相加而成，使得能量更集中在主瓣上，且 由于汉宁窗过度频带较宽，旁瓣峰值幅度为一３１ｄＢ，阻带最小衰减为 一４４ｄＢ，因此本系统选取汉宁窗设计一个带通滤波器，基本符合设计要 求。用Ｍａｔｌａｂ编写ＦＩＲ滤波器程序，并不断改变汉宁窗的窗口长度Ｎ 可以得到滤波信号波形如图３所示。
图６ ＦＩＲ滤波器的仿真结果 系统的ＤＡ模块。采用双列直插式８位转换器ＤＡＣ０８３２，设置其为 单缓冲工作方式，只要有数字信号进入转换电路，就开始Ｄ／Ａ转换，无 需启动信号。 综上便构成了完整的ＦＩＲ滤波系统，在系统音频接口端输入带噪 的心电信号，用示波器在ＤＡ输出端可以检测到得到实时的心电信号 滤波输出如图７所示。
逻辑器件（ＦＰＧＡ）的发展迅猛，现多集成了中央处理器（ＣＰＵ）和数字处
理器（ＤＳＰ）等硬核，可以很好的解决并行性和速度问题，是现今电子设
计的发展趋势之一。
２．ＦＩＲ滤波器的原理概述及Ｍａｔｌａｂ分析设计
ＦＩＲ滤波器的一般形式为
Ｎ—ｌ
Ｈ（ｚ）＝乞ｈ（ｎ）ｚ“
（１）
ｎ＝Ｏ
它的重要特点是可设计成具有严格线性相位的滤波器，此时ｎ（ｚ） 满足偶对称或奇对称条件。其单位冲击响应有如下特性：
器两种。由于ＦＩＲ数字滤波器具有在设计任意幅频特性的同时能够保
证严格的线性相位特性、稳定性强、精度高、速度快等特点，因而得到了
较为广泛的应用。Ｍａｔｌａｂ具有强大的数值运算及分析功能，可以对数字
滤波器进行快速精确的设计，因此文中采用它对带噪的心电信号作
ＦＦＴＩ’频谱分析和频谱图显示，从而确定滤波器的相关系数。现场可编程
Ｎ—ｌ
ｙ（ｎ）＝ｘ（ｎ）ｘｈ（ｎ）＝乞ｈ（ｉ）ｘ ｎ—ｉ）
（５）
ｎ－－－Ｏ
因此，ＨＲ滤波器的参数设计可以归结为阶数Ｎ和脉冲响应ｈ（ｎ）的
选取。
本文所用心电数据来自医院临床采集的带噪心电ｗａｙ音频格式数
据，通过使用ＭＡＴＬＡＢ对带噪的单个心电信号取５１２点数据进行Ｆ兀＇
分析，得到带噪心电信号的频谱如图ｌ所示。