摘  要： 在數(shù)字接收機中，通常需要對采樣的數(shù)據(jù)進行一定倍數(shù)的插值,。采用Altera公司的DSP Builder設計工具,，在MATLAB/Simulink中建立相應的算法模型并仿真,。通過引入回路硬件模塊，將硬件平臺接入由Simulink構建的仿真測試回路中進行軟硬件協(xié)同仿真,，最后可以直接生成FPGA的下載文件,。該方法簡化了設計流程，降低了開發(fā)成本和周期,，具有廣闊的應用前景,。
關鍵詞： DSP Builder；插值濾波器,；FPGA,；回路硬件仿真

　插值濾波器是一種結構相對較為簡單、整齊劃一,、占用存儲量小的濾波器,，廣泛應用于數(shù)字示波器、數(shù)字通信和全數(shù)字收發(fā)機中,。它不需要乘法器,，因此占用硬件資源較少、實現(xiàn)簡單且速度較高,，是高分解速率濾波器的一種非常有效的結構,，在高速抽取或插值系統(tǒng)中是非常有效的單元[1-3]。在插值濾波器的具體實現(xiàn)中,，人們大多使用DSP來實現(xiàn),，但由于DSP具有串行執(zhí)行指令的特點，使得其在高速信號處理中無法滿足設計需要[4],。而高性能大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷某霈F(xiàn)，使得在FPGA中用軟件實現(xiàn)插值濾波器成為可能,，而且FPGA芯片內(nèi)部的資源相當豐富,，并行的處理速度較快，并具有極大的靈活性,，使其成為設計的首選,。
　在以FPGA為核心器件來設計信號處理系統(tǒng)時，Altera公司的DSP Builder是一款理想的系統(tǒng)級工具軟件,，它建立了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的抽象算法模型,，并將抽象算法模型轉化成可靠的硬件實現(xiàn)。DSP Builder提供了一個從MATLAB/Simulink直接到FPGA硬件實現(xiàn)的設計接口,，是數(shù)字信號處理高層系統(tǒng)設計與FPGA的橋梁,。DSP Builder極大地簡化了硬件實現(xiàn)流程，同時提供了系統(tǒng)仿真測試功能，使利用FPGA設計并實現(xiàn)數(shù)字信號處理更加靈活,，更容易開發(fā),。此外，還可以將設計模型直接編譯成能在FPGA器件中布局布線的網(wǎng)表文件,，成功地解決了算法研究人員和硬件實現(xiàn)工程師之間的工作協(xié)調(diào)問題,，使得用戶能夠以最快的速度將他們的算法得到硬件實現(xiàn)。
1 插值濾波原理
　插值濾波是由N個Comb模塊（采樣頻率為fs/RD）,，再級聯(lián)N個Intergrator模塊級聯(lián)（采樣頻率為fs）,，結構如圖1所示。一般情況下插值比率為1：1,、1：2,、1：5、1：10,、1：20,、1：50。插值濾波器由一個插零模塊和一個濾波器構成,。如果插值比率為1：N,，則插零模塊負責在每兩個原始數(shù)據(jù)之間插入N-1個0，再通過濾波平滑波形,，出來的插值后的波形的采樣率將是原始波形的N倍,。

2 CIC濾波器的模型建立
2.1 數(shù)據(jù)處理寬度的確定
　用FPGA實現(xiàn)插值濾波器時[5-8]，還有一個很重要的參數(shù)需要確定,，那就是寄存器的寬度（或者位數(shù)）,。只有精心計算寄存器的寬度，才能在運算不溢出的情況下,，最大限度地節(jié)省FPGA的硬件資源,。對于插值濾波器，最終的梳狀器輸出增益G=（RD）N,，其中,，R為抽取因子，D為延遲數(shù)值,，N為濾波器級數(shù),。假定采用二進制補碼，設輸入數(shù)據(jù)寬度為Bin,，則內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的寬度Bout=Nlog2（RD）+Bin,。本設計中輸入數(shù)據(jù)寬度為8，N=3,，R=75,，D=1（即抽取因子為75,，延遲為1的三級插值濾波器），則輸出字寬W=8+log2（75×1）≈26 bit,，保證不會產(chǎn)生運行時間溢出。因此,，可以根據(jù)前面的分析建立模型,。
2.2 插值濾波器的模型建立
　本文以帶寬為30 kHz、采樣率為2 MHz的信號加速為采樣率為150 MHz的信號,，而要求通帶衰減最大不得超過3 dB,，阻帶衰減不得低于45 dB。根據(jù)前面的分析可以采用三級插值濾波器來實現(xiàn),。根據(jù)圖1所示的框圖在MATLAB的Simulink下,，利用DSP Builder建立圖2所示的三級插值濾波器模型[5-7]。

　用SignalCompiler將圖2的核心插值濾波器模型轉化為VHDL硬件描述語言,，雙擊“SignalCompiler”圖標,，在彈出的對話框中點擊“Compile”，DSP Builder將會調(diào)用Quartus II進行全程編譯,，其過程包括創(chuàng)建Quartus II工程,、綜合及適配。由于在DSP Builder中只有器件系列,，且編譯之后沒有時序報告,，因此，在用SignalCompiler將   .mdl文件轉化成HDL語言后,，一般還需在Quartus II中進行進一步的設置和完整編譯,。
3 仿真分析
3.1 基于DSP Builder軟硬件協(xié)同仿真
　由于在Simulink下進行的仿真不涉及任何硬件（如FPGA），只能是算法級的仿真,，但是如果完全放在底層設計工具Quartus II上仿真,，盡管獲得了全硬件的仿真結果，但是難以獲得一些特定功能的激勵信號,，因此,，本仿真通過引入HIL模塊來進行軟硬件協(xié)同仿真。首先在Simulink平臺下進行軟件仿真,，當結果滿足設計要求時,，使用HIL將Input和Output模塊之間DSP Builder模塊生成HDL工程，從而實現(xiàn)基于MATLAB/DSP Builder平臺的硬件仿真,。本文選用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8為主芯片的開發(fā)板進行仿真,，仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出,，輸出端的數(shù)據(jù)比輸入端的數(shù)據(jù)整整快了75倍,，仿真結果表明,，三級插值濾波器的實現(xiàn)方法正確。

3.2  Quartus II時序仿真
　采用一個幅值為127的階躍信號作為插值濾波器的輸入信號,，在Quartus II開發(fā)環(huán)境下進行仿真,、綜合，運行結果如圖4所示,?？梢钥闯鲞_到了預定的設計要求。

　本文提出一種根據(jù)插值濾波器數(shù)學模型,，采用MATLAB/Simulink來建立相應的模型,，然后利用Signal Compiler工具將其轉化為Quartus II能夠識別的VHDL程序來實現(xiàn)插值濾波器的方案。該方案充分發(fā)揮了FPGA器件處理速度快,、實現(xiàn)靈活方便的特性,，大大提高了整個系統(tǒng)的性能。采用DSP Builder系統(tǒng)工具,，從插值濾波器建模,、仿真到FPGA的具體設計都在一個環(huán)境中完成，方便了系統(tǒng)的更改和擴展,，使得設計更加靈活,、便捷，相對于傳統(tǒng)開發(fā)方式,，具有更大的優(yōu)勢,。
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