1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板
第五十二章基于FIRIP核的低通滤波器实验
FIR滤波器是有限冲激响应（FiniteImpulseResponse）滤波器的简称，它与IIR（InfiniteImpulse
Response，无限冲击响应）滤波器，都是按照单位冲击响应h（n）的时间特性分类的两种基本
还具有线性相位延迟的特点。因此FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛
的应用。本章我们将使用QuartusII软件里的FIRCompilerIP核，来对音频信号进行滤波，作
为一个简单的例程，向大家介绍AlteraFIRCompilerIP核的使用方法。
本章包括以下几个部分：
52.1FIRCompilerIP核简介
52.2实验任务
52.3硬件设计
52.4程序设计
52.5下载验证
FIRCompiler核简介
我们日常生活中经常用到的音乐播放器、手机、数码相机等电子设备中，都可以看到数字
信号处理（DSP）的使用。而FIR滤波器因为系统稳定、易实现线性相位和允许多通道滤波等
特点，在数字信号处理领域受到广泛运用。
由于FIR滤波器处理的是数字信号，所以模拟信号在进入FIR滤波器前，需要先经过AD
器件进行模数转换，将模拟信号转化为数字信号。而为了让信号处理不发生失真，信号的采样
速度必须满足奈奎斯特定理，一般取信号最高频率的4到5倍做为采样频率。
FIR滤波器信号处理如下公式所示，其中x（n）是输入的信号，h（n）为FIR滤波系数，
y（n）为滤波后的信号。N为FIR滤波器的抽头数，滤波器阶数为N-1。
(n)=∑ℎ（）×（−）
−1
=0
由上面的公式得到的一种FIR滤波器实现结构如下图所示，主要由延迟单位−1、乘法器、
累加器组成。这种滤波器被称为直接型FIR滤波器。
图52.1.1直接型FIR滤波器
接下来我们举个简单的例子，下图所示为一个低通滤波器的频率响应图，通带（滤波器允
许通过信号的频率范围）边缘频率为3Hz，阻带（信号幅度衰减到极低水平的频率范围）边缘
频率为5Hz，3Hz到5Hz之间为过渡带。信号衰减3dB所对应的信号频率即为截止频率。
图52.1.2一个低通滤波器频率响应曲线
我们在前面的内容里展示了FIR滤波器的信号处理公式、基本实现结构、频率响应曲线图。
而FIR滤波器的具体实现涉及到数字信号处理相关的专业知识内容，这里则主要讲解如何创建
我们需要的FIR滤波器。接下来我们了解一下设计一个简单的FIR滤波器需要设置的参数。
一个简单的FIR滤波器需要设置的参数：
1)FilterType（滤波器类型）：设置FIR滤波器的类型：低通（Lowpass）、高通（high
pass）、带通（bandpass）以及带阻（bandstop）等。下图所示为FilterType选项栏
的下拉选项。
图52.1.3选择滤波器类型
四种基础滤波器允许通过的信号频率如下图所示：
图52.1.4四种基础滤波器的频率响应曲线
2)WindowType（窗函数类型）：FIR滤波器的设计方法有很多种。常用的有窗函数设计
法（Window）、等波纹设计法（Equiripple）和最小二乘法（Least-Squares）等。Quartus
II软件里的FIRCompilerIP核提供的设计方法是窗函数设计法。我们可以选择的窗函数有矩形窗（Rectangular）、汉宁窗（Hanning）、哈明窗（Hamming）、布莱克曼窗
（Blackman）。这里只需要简单了解一下有这些窗函数即可。不同的窗函数有各自对
应阻带最小衰减、过渡带宽等特性，这些都是设计滤波器时比较重要的参数。阻带衰
减dB数越大，对阻带信号的抑制作用越好。过渡带宽与滤波器的阶数计算有关。旁
在FrequenceResponse窗口看到窗函数的频率响应曲线。
图52.1.5窗函数特性表
图52.1.6选择窗函数
3)Coefficient（抽头系数）：抽头系数是滤波器系数的个数。而滤波器的阶数比抽头数小
1。滤波器的阶数直接影响滤波器的性能，阶数越高，性能越好，相应在FPGA中实现
该滤波器耗用的资源越多。我们需要手动输入数值来确定系数。
图52.1.7输入抽头系数
4)SampleRate（采样率）：输入数据的采样率，与AD的采样速率保持一致，单位为SPS(每
秒采样次数SamplesperSecond)。其中4.8E4表示为4.8×104，也就是48K。
图52.1.8设置采样率
5)CutoffFreq（截止频率）：用于设置通过信号的频率界限。如图为低通滤波器时，截止
频率则只有一个。当保持输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的
0.707倍，即用频响特性来表述即为-3dB点处即为截止频率，它是用来说明频率特性
指标的一个特殊频率。
图52.1.9设置截止频率
6)InputBitWidth（输入数据位宽）CoefficientBitWidth（位宽）：输入位宽指的是滤
波器输入数据数据的位宽，系数位宽为滤波器的系数位宽，这两个位宽一起决定了滤
波器输出数据的位宽。
图52.1.10设置输入数据位宽及滤波器系数位宽
实验任务
本节实验任务是在“基于FFTIP核的音频频谱仪实验”的基础上，添加一个FIR低通滤
波器，并通过按键来选择是否使用低通滤波器对WM8978输出的信号进行滤波，然后使用Altera
FFTIP核分析WM8978输出的音频信号的频谱，并将频谱的幅度特性显示到4.3寸RGBTFT
LCD上。
硬件设计
本实验的硬件设计原理与“基于FFTIP核的音频频谱仪实验”完全相同，请参考“基于
FFTIP核的音频频谱仪实验”中的硬件设计部分。
程序设计
图51.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。对比于“基于FFTIP核的音频频谱仪
实验”，我们在“基于FFTIP核的音频频谱仪实验”的系统框图中添加了一个配置为低通滤
波器的FIR模块。当我们没有触碰开发板上的KEY0按键的时候，WM8978模块输出的音频数据
先经过FIR模块进行滤波，然后通过FFT模块做频谱分析，得到频谱幅度数据。当我们按下按
键的时候，WM8978模块输出的音频数据则直接通过FFT模块做频谱分析，得到我们需要的频
谱幅度数据。得到的数据经过LCD模块处理后，转变成频谱幅度图像，显示在RGBTFT-LCD上。
图52.4.1IP核之FFT实验系统框图
程序中各模块端口及信号连接如图51.4.2所示：
图52.4.2模块连接图
FPGA顶层（FFT_audio_lcd）例化了以下五个模块：pll时钟模块（pll）、wm8978模块
（wm8978_ctrl）、FIR模块（fir_lowpass）、FFT模块（FFT_top）、LCD模块（LCD_top）。
pll时钟模块（pll）：本实验中WM8978模块所需要的时钟为12MHz，FFT模块的驱动时钟为
50MHz，另外LCD模块需要50Mhz的时钟来处理、缓存FFT模块输出的数据，并在10MHz的驱动时
钟下驱动RGBTFT-LCD显示。因此需要一个PLL模块用于产生系统各个模块所需的时钟频率。
wm8978模块（wm8978_ctrl）：WM8978控制模块主要完成WM8978的配置和WM8978接
收的录音音频数据的接收处理，以及FPGA发送的音频数据的发送处理。有关该模块的详细介
绍请大家参考“基于FFTIP核的音频频谱仪实验”章节。
FIR模块（fir_lowpass）：FIR模块负责对输入的音频数据进行低通滤波。
FFT模块（FFT_top）：FFT模块将wm8978模块传输过来的音频信号进行缓存，然后将其
送给FFTIP核进行频谱分析。接着计算FFTIP核输出复数的平方根，即频谱的幅度值，然后
将其输出给LCD模块显示。有关该模块的详细介绍请大家参考“基于FFTIP核的音频频谱仪
实验”章节。
LCD模块（LCD_top）：LCD模块取FFT模块传输过来的一帧数据的一半（也就是64个数
据）进行缓存，并驱动RGBTFT-LCD液晶屏显示频谱。有关该模块的详细介绍请大家参考“基
于FFTIP核的音频频谱仪实验”章节。
顶层模块的代码如下：
1moduleFIR_audio_lcd(
2inputsys_clk,
3inputrst_n,
4
5//WM8978接口
6outputaud_mclk,//WM8978接口
7inputaud_bclk,
8inputaud_lrc,
9inputaud_adcdat,
10outputaud_dacdat,
11outputaud_scl,
12inoutaud_sda,
13//LCD接口
14outputlcd_hs,//LCD行同步信号
15outputlcd_vs,//LCD场同步信号
16outputlcd_de,//LCD数据输入使能
17output[15:0]lcd_rgb,//LCDRGB565颜色数据
18outputlcd_bl,//LCD背光控制信号
19outputlcd_rst,//LCD复位信号
20outputlcd_pclk,//LCD采样时钟
21
22inputkey0//KEY0：按下时显示原始音频频谱，释放后显示滤波后频谱
23);
24
25//wiredefine
26wirefft_sop;
27wirefft_eop;
28wirefft_valid;
29wire[15:0]fft_data;
30wireaudio_valid;
31wire[15:0]audio_data;
32wireclk10M;
33wire[15:0]audio_data_out;
34wire[33:0]fir_odata_w;
35wirefir_dvalid_w;
36
37//*****************************************************
38//**maincode
39//*****************************************************
40
41//锁相环输出FFT、WM8978、LCD等模块的驱动时钟
42pllpll_inst(
43.inclk0(sys_clk),
44.c0(aud_mclk),
45.c1(clk50M),
46.c2(clk10M)
47);
48
49//例化WM8978控制模块
50wm8978_ctrlu_wm8978_ctrl(
51//systemclock
52.clk(clk50M),//时钟信号
53.rst_n(rst_n),//复位信号
54//wm8978interface
55//audiointerface(mastermode)
56.aud_bclk(aud_bclk),//WM8978位时钟
57.aud_lrc(aud_lrc),//对齐信号
58.aud_adcdat(aud_adcdat),//音频输入
59.aud_dacdat(aud_dacdat),//音频输出
60//controlinterface
61.aud_scl(aud_scl),//WM8978的SCL信号
62.aud_sda(aud_sda),//WM8978的SDA信号
63//userinterface
64.dac_data(audio_data_out),//输出的音频数据
65.adc_data(audio_data),//输入的音频数据
66.rx_done(audio_valid),//一次接收完成
67.tx_done()//一次发送完成
68);
69
70assignaudio_data_out=key0?fir_odata_w[33:18]:audio_data;
71
72fir_lowpassu_fir_lowpass(
73.clk(aud_bclk),
74.reset_n(rst_n),
75
76.ast_sink_data(audio_data),
77.ast_sink_valid(audio_valid),
78.ast_sink_error(),
79.ast_sink_ready(),
80
81.ast_source_ready(1'b1),
82.ast_source_data(fir_odata_w),
83.ast_source_valid(fir_dvalid_w),
84.ast_source_error(),
85);
86
87//利用ip核实现的FFT
88FFT_topFFT_u(
89.clk_50m(clk50M),
90.rst_n(rst_n),
91
92.audio_clk(aud_bclk),
93.audio_valid(fir_dvalid_w),
94.audio_data(audio_data_out),
95
96.data_sop(fft_sop),
97.data_eop(fft_eop),
98.data_valid(fft_valid),
99.sqrt_data(fft_data)
100);
101
102//MCU_LCD显示模块
103LCD_topLCD_u(
104.clk50M(clk50M),
105.rst_n(rst_n),
106.clk10M(clk10M),
107
108.lcd_hs(lcd_hs),
109.lcd_vs(lcd_vs),
110.lcd_de(lcd_de),
111.lcd_rgb(lcd_rgb),
112.lcd_bl(lcd_bl),
113.lcd_rst(lcd_rst),
114.lcd_pclk(lcd_pclk),
115
116.fft_valid(fft_valid),
117.fft_sop(fft_sop),
118.fft_eop(fft_eop),
119.fft_data(fft_data)
120);
121
122module
相比于“基于FFTIP核的音频频谱仪实验”，基于FIRIP核的低通滤波器实验只是在顶
至第85行，及第70行所示。接下来我们来讲解如何创建及使用FIR低通滤波器。
我们在QuartusII软件的菜单栏中找到【Tools】→【MegaWizardPlug-InManager】按钮并
图52.4.3工具栏打开IP核界面
图52.4.4创建IP核向导页面
在该页面中，可以看到有三个选项，第一个是创建一个新的IP核，第二个是编辑一个已
经创建好的IP核，第三个是复制一个已经创建好的IP核。因为我们这里是首次创建IP核，因
图52.4.5选择FIRCompilerIP核界面
在该页面中，我们可以在DSP/Filters下找到核，也可以直接在搜索框
中输入fir找到它。我们找到核以后，单击选中它，然后我们需要为ALTPLL
IP核选择保存的路径及名称，我们在工程路径par/ipcore文件夹下新建一个FIR文件夹，用于
存放工程中用到的IP核，然后在“Whatnamedoyouwantfortheoutputfile”一栏中输入IP存放
的路径及名称，这里我们命名为fir_lowpass并且选择创建的IP核代码为VerilogHDL。需要注
意的是，如果想要对IP核进行仿真，需要将IP核存放目录设置为目录，也就是将IP核存放在
图52.4.6FIRIP核主界面
Parameterize，进入如下所示的界面，对IP核进行参数配置。
图52.4.7FIRIP核配置界面
由于核处理的是wm8978输出一路16位有符号数数据。所以，Number
ofinputchannels选项（输入通道数）保持为1；InputNumberSystem选项（输入数据系统）
保持为SignedBinary；InputBitWidth（输入位宽）选项设置为16；输出基于实际的系数（Actual
Coefficients），也就是与InputBitWidth（输入位宽）和BitWidth（系数）其它选项保持默认
图52.4.8IP核参数设置界面
本次实验中，我们需要设置的是低通滤波器，于是FilterType（滤波器类型）保持LowPass
不变；由于wm8978的采样速率为48K，所以SampleRate设置为4.8E4；Coefficients（抽头系
数）越大，滤波的效果越好，但是耗用的资源越多，这里设置数值为32；本次实验将使用到低
通滤波器，于是暂设置截止频率为5KHz，在框中输入5E3；接下来就要选择要用
到的窗函数了。窗函数选项栏里默认的是矩形窗（Rectangular）。根据实际需要，选择符合需
求的窗函数即可，没有固定的选项。WindowType（窗函数类型）选项栏中共有4个选项，选
函数的滤波器频率响应曲线。然后根据四种频率响应曲线选择最符合需求的窗函数。这里因为
Hamming（哈明窗）的频率响应曲线到达截止频率时，衰减了60dB左右，且频率响应曲线下
降得更快。所以在WindowType选项栏中选择Hamming窗函数。设置完成后的界面如下所示。
图52.4.9设置完成后的界面
现在讲解一下频率响应图中横纵坐标代表的物理意义，其中的横坐标Frequency表示的是
归一化频率，纵坐标dB代表的是衰减指标。我们知道采样频率的一半为奈奎斯特频率，而归
一化频率=
真实频率
奈奎斯特频率
。所以图中的0.1代表的是48KHz÷2×0.1=2.4KHz；衰减指标定义为20log
（Vout/Vin）。图中-20dB对应的是：20log（Vout/Vin）=-20，因此Vout=0.1Vin，所以信号幅
值衰减到原来幅度的0.1。
多次最终就能生成成功。
图52.4.10生成滤波器文件选项
图52.4.11滤波器生成界面
与生成了。
图52.4.12滤波器生成成功界面
接下来我们来了解一下怎么使用这个IP核。我们在顶层代码的第72行至第85行例化了
FIRCompiler核，代码如下所示。
72fir_lowpassu_fir_lowpass(
73.clk(aud_bclk),
74.reset_n(rst_n),
75
76.ast_sink_data(audio_data),
77.ast_sink_valid(audio_valid),
78.ast_sink_error(),
79.ast_sink_ready(),
80
81.ast_source_ready(1'b1),
82.ast_source_data(fir_odata_w),
83.ast_source_valid(fir_dvalid_w),
84.ast_source_error(),
85);
信号定义如下表所示，与FFTIP核一样，都是Avalon-ST数据接口。
图52.4.13滤波器信号描述
时序图如下所示，一直保持ast_source_ready信号为高电平。在复位信号reset_n信号、
ast_sink_ready为高电平的时候，拉高ast_sink_valid信号，并给FIR滤波器输入数据，滤波器
就开始处理数据了。当滤波器拉高ast_source_valid信号的时候，FIR滤波器就开始输出滤波处
理后的数据。
图52.4.14滤波器工作时序图
可以看到在代码第75行至85行，为了降低操作IP核的难度，没有理会ast_sink_ready信
号的状态，如代码第79行所示。
下载验证
首先我们打开基于FIRIP核的低通滤波器实验工程，在工程所在的路径下打开
FIR_audio_lcd\par文件夹，在里面找到“FIR_audio_”并双击打开。注意工程所在
的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程打开后如图1.5.1示：
图52.5.1IP核之FIR实验工程
将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上对应端口连接，然后用音频线连接电脑和开发
板，最后连接电源线并打开电源开关。
FIR_audio_lcd\par\output_files目录下的“FIR_audio_”文件。开发板电源打开后，在
图所示：
图52.5.2下载界面
然后，打开FIR_audio_lcd\音频文件目录下的noise_96文件，我们可以在LCD上
看到如下图所示经过FIR滤波器滤波后的频谱图：
图52.5.3频谱图
按下按键后，频谱幅度图像如下所示，未经过滤波的幅度图像的噪声要大很多。
图52.5.4未经滤波的频谱幅度图
