基于FPGA的单级cic滤波器设计方案

作者： OpenSLee

1 概述

在数字信号处理中，CIC滤波器是FIR滤波器中最优的一种，其使用了积分，梳状滤波器级联的方式。

CIC滤波器由一对或多对积分-梳状滤波器组成，在抽取CIC中，输入信号依次经过积分，降采样，以及与积分环节数目相同的梳状滤波器。在内插CIC中，输入信号依次经过梳状滤波器，升采样，以及与梳状数目相同的积分环节。

CIC滤波器的发明者是 Eugene B. Hogenauer，这是一类使用在不同频率的数字信号处理中的滤波器，在内插和抽取中使用广泛。与大多数FIR滤波器不同的是，它有一个内插或者抽取的结构。

1，线性相位响应

2，仅需延迟，加减法便可实现，不需要乘法，在FPGA等平台上易于实现。

2 单级CIC滤波器

CIC滤波器的冲击响应为：

3 设计目标

利用单级CIC滤波器将采样率为352.8KHZ的1khz sin波向下降采样率到44.1khz的1khz sin波（8倍抽取）。

1，matlab设计验证

2，FPGA verilog设计验证。

4 matlab设计验证

%Single CIC
%352.8khz sample rate down to 44.1khz sample rate
close all
clc
clear all

%参数定义
FS =352800; %Sample rate Frequncy
fc = 1000; %1khz
N = 1024;
Q = 16;
M= 8;
D = 8;
t =0:2*pi/FS:2*pi*(N-1)/FS;%时间序列

%波形产生
sin_osc =sin(t*fc); 
%滤波器系数
b=ones(1,M);
a = 1;

%8倍抽值处理
sf=filter(b,a,sin_osc);     
sm =sf./M;
sd=sm(1:D:length(t));

%绘图
figure(1),
subplot(221),stem(sin_osc);
title('采样频率352.8khz 1khz sin','fontsize',8);
subplot(222),stem(si0);
title('采样频率44.1khz 1khz sin','fontsize',8);
subplot(223);plot(f,mag);
xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);
ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);
title('freqz()幅频响应','fontsize',8);
subplot(224);plot(f,ph);
xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);
ylabel('相位(度)','fontsize',8);

图1 8倍抽取前后的1khz sin时域波形

图2 滤波器系数的幅频和相频响应

由图1和图2分析可知，单级CIC滤波器的降采样率设计成功。

5 FPGA设计验证

FPGA的单级cic滤波器的设计其实就是一个滑动平均滤波器，由一个累加器和一个移位操作完成。

`timescale 1ps/1ps
module cic(
       input mclk,//45.1584MHZ
	   input reset_n,
	   input signed[31:0] pcm_in,//352.8khz 
	   output signed[31:0] pcm_out //44.1khz
	   );
	   
localparam LAST_CYCLE = 128;
reg [9:0] i;//44.1

reg signed [35:0] temp_pcm;
reg signed [35:0] dout_pcm;
assign pcm_out = dout_pcm[35:4];
always @(posedge mclk or negedge reset_n) begin
  if(reset_n == 1'b0) begin
    i <= 0;
	temp_pcm<=0;
	dout_pcm<=0;
  end
  else begin
    i<= i+1;
	if(i == (LAST_CYCLE-1) || i == (LAST_CYCLE*2-1) ||i == (LAST_CYCLE*3-1) || i == (LAST_CYCLE*4-1) || i == (LAST_CYCLE*5-1)||i == (LAST_CYCLE*6-1) ||i == (LAST_CYCLE*7-1)  ) temp_pcm <= temp_pcm + pcm_in;
	if(i == (LAST_CYCLE*8-1)) begin 
	  dout_pcm<= temp_pcm + pcm_in;
	  temp_pcm<=0;
	end
  end 
end
endmodule

图3 modelsim时域数据检测

图4 modelsim时域波形

图5 matlab还原数据的时域和频域

由图3，图4，和图5分析，1khz基本未发生改变，44.1khz相对于352.8khz采样率1khz点变得疏松。

编辑：hfy