CIC滤波器基于MATLAB/FPGA的数字CIC滤波器的设计

Posted 2022-03-23 fpga&matlab

FPGA代码：

module down(
           i_clk,//输入时钟
           i_rst,//输入复位信号
           i_M,  //抽取值
           i_data,//输入信号
           o_data,//输出信号
           r_clk
           );
           
input              i_clk;//输入时钟
input              i_rst;//输入复位信号
input       [7:0]  i_M;  //抽取值          
input signed[31:0] i_data;//输入信号
output signed[31:0]o_data;//输出信号
output             r_clk;//输出信号
reg       [7:0] r_cnt =8'd0;
reg signed[31:0]o_data=32'd0;
reg             r_clk =1'b0;

always @(posedge i_clk)
begin
     if(!i_rst)//系统复位
     begin
     r_cnt<=8'd0;
     r_clk<=1'b0;
     end
else begin
          if(r_cnt==i_M/2-1)//分频
          begin
          r_clk<=~r_clk;
          r_cnt<=8'd0;
          end
     else begin
          r_cnt<=r_cnt+1'b1;
          r_clk<=r_clk; 
          end 
     end
end 

always @(posedge r_clk)
begin
     if(!i_rst)//系统复位
     begin
     o_data<=32'd0;
     end
else begin
     o_data<=i_data;//抽取
     end
end 


endmodule           

MATLAB代码：

clc;
clear;
close all;

%CIC又称为梳状滤波器，所以这里首先给出其梳状波形。。。。
%积分滤波器的响应
b1=1;
a1=[1 -1];
D=9;
b2=[1 zeros(1,D-1) -1];
a2=1;
b3=b2;
a3=a1;
b4=conv(b3,b3);
a4=conv(a3,a3);
b5=conv(b4,b3);
a5=conv(a4,a3);
b6=conv(b4,b4);
a6=conv(a4,a4);
b7=conv(b6,b3);
a7=conv(a6,a3);
figure(1);
freqz(b7/D^5,a7,'whole');



%CIC抽取滤波器
% 抽取因子
r = 2;                 
hm = mfilt.cicdecim(r);  
%原始的采样率 44.1kHz.
fs = 44.1e3; 
%10240个采样点
n = 0:10239;           
%原始信号
x  = sin(2*pi*1e3/fs*n);  
%得到抽取后的5120个采样点
y_fi = filter(hm,x);        
x = double(x);
y = double(y_fi);
y = y/max(abs(y));
figure(2);
stem(n(1:44)/fs,x(2:45)); hold on;  
stem(n(1:22)/(fs/r),y(3:24),'r','filled'); 
xlabel('时间(sec)');ylabel('信号值');
title('CIC抽取滤波器');


%CIC内插滤波器
%插值因子
R = 2;                    
hm = mfilt.cicinterp(R);
% 原始采样频率:22.05 kHz.
fs = 22.05e3;           
% 5120个采样点
n = 0:5119;              
%原始信号
x = sin(2*pi*1e3/fs*n);    
y_fi = filter(hm,x);  
x = double(x);
y = double(y_fi);
y = y/max(abs(y));
figure(3);
stem(n(1:22)/fs,x(1:22),'filled'); hold on;
stem(n(1:44)/(fs*R),y(4:47),'r');  
xlabel('时间(sec)');ylabel('信号值');
title('CIC内插滤波器');

仿真与说明

1.1 MATLAB设计说明

这个CIC滤波器的频率特性，如果上图，上图和梳子比较相似。所以称为梳状滤波器。

    这个是CIC抽取滤波器，如图可以看到，每2个点抽取一个点，达到抽取效果。

    这个是CIC内插滤波器，如图可以看到，每2个点插入一个点，达到抽取效果。

1.2 FPGA设计说明

    一般在实际应用中，我们多半设计抽取滤波器用的更多，一般抽取滤波器如下所示：

在这里，我们将其中一些参数具体化，设计一个具体参数的CIC滤波器。

我们将这个系统模块话，然后在实际应用的时候，我们只要改变其中的参数就可以了。

系统分为如下三个模块。

       

模块一的设计：

delay_one(

                i_clk,//输入时钟

                i_rst,//输入复位信号

                i_data,//输入信号

                o_data//输出信号

                );

模块二的设计：

down(

           i_clk,//输入时钟

           i_rst,//输入复位信号

           i_M,  //抽取值

           i_data,//输入信号

           o_data//输出信号

           );

模块三的设计：

delay_M(

              i_clk,//输入时钟

              i_rst,//输入复位信号

              i_data,//输入信号

              o_data//输出信号

              );

那么其在顶层，我们只要调用这些模块就行了。

其中CIC积分器输出结果如下所示：

系统滤波输出结果如下所示：

可以看到，滤波后的效果。

当改变CIC级数的时候，就能得到不同效果的CIC滤波器

      检验CIC滤波器最快的方法就是输入一个阶跃信号，这里我们输入的阶跃信号是00FFFFFF，最终通过CIC滤波器的效果如dataout，通过查看相关文献资料，阶跃信号信号通过CIC滤波器后的效果为：

     

  

其效果和我们FPGA设计得到的效果基本相同。

 以上是输入随机信号后滤波效果，显然，其波形特性得到了改善。

A01-23