CIC抽取滤波器的研究和设计

改进型CIC抽取滤波器设计与FPGA实现摘要：为了改善级联积分梳状(CIC)滤波器通带不平和阻带衰减不足的缺点，给出一种改进型CIC 滤波器。

该滤波器在采用COSINE 滤波器提高阻带特性的基础上，级联了一个SINE 滤波器，补偿了其通带衰减。

硬件实现时，采用新的多相分解方法结合非递归结构，不仅大大减少了存储单元数量，还使电路结构更加规则。

经仿真和FPGA 验证，改进型CIC 滤波器使用较少硬件，实现了阻带衰减100．3 dB，通带衰减仅为O．000 1 dB 。

关键词：CIC 抽取滤波器；COSINE 滤波器；SINE 滤波器；设计优化；FPGA抽取滤波器是∑－△模／数转换器中的重要组成部分，积分梳状滤波器经常作为第一级滤波器，用以实现抽取和低通滤波。

其优点是实现时不需要乘法器电路，且系数为整数，不需要电路来存储系数，同时通过置换抽取可以使部分电路工作在较低频率，与相同滤波性能的其他FIR 滤波器相比，节约了硬件开销。

经过仿真，抽取率为32 的一阶积分梳状滤波器第一旁瓣相对于主瓣的衰减最大约为15 dB，这样的阻带衰减根本达不到实用滤波器的设计要求。

为了改变滤波性能，一般采用级联积分梳状滤波器(CIC)。

但经过CIC 降频滤波系统降频后会产生信号混叠现象，并且主瓣曲线不平，需要用新的算法或新结构来修正改善这些特性。

1 CIC 抽取滤波器原理经典的抽取滤波器为Hogenauer CIC 滤波器，其传输函数表达式为：式中：参数M 为降频因子，决定了CIC 的通带大小；K 为滤波器的阶数，对阻带衰减起到加深作用。

频率响应为：滤波电路由积分模块与差分模块组成，根据置换原则将抽取因子提到差分模块之前，使其工作在较低频率，并节省了M-1 个存储单元，框图如图1 所示。

CIC 的冲击响应{1,010,()n D h n ≤≤-=其他，D 为CIC 滤波器的阶数（即抽取因子），Z 变换后11()1Dz H z z ---=-，当积分梳状滤波器的阶数不等于抽取器的抽取倍数时，令N=DM(N 为滤波器的 阶数，D 为抽取倍数)则积分梳状滤波器的传递函数为：)1(11)(1DM z zz H ----=M 是梳状滤波器中的延时因子，故称M 为差分延时因子；其频率总响应为12()()()jw jw jwH e H e H e ==sin(/2)sin(/2)wDM w =1()()22wDM wDM Sa Sa -⋅⋅x x x Sa /)sin()(=为抽样函数，且1)0(=Sa ，所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ，即：DM e H j =)(0； 一般数字滤波器的指标：()20lg()()20lg ()a pa p a s a s H j H j H j H j ααΩ=ΩΩ=Ω通带最大衰减阻带最小衰减即：CIC 幅频特性响应曲线图由其频率响应函数可以看出其主瓣电平最大为D ，旁瓣电平为21.51()sin(3/2)/sin(3/2)sin(3/2)j DMH e DM DM ωπωπππ=⋅==，旁瓣与主瓣的差值 （用dB 数表示）为： dB A DM s 46.1323lg 20lg201===πα 可计算出旁瓣与主瓣的差值约为13.46，意味着阻带衰减很差，单级级联时旁瓣电平很大，为降低旁瓣电平，增加阻带衰减采用级联的方式，N 级频率响应为：)2()2()()2/sin()2/sin()(ωωωωωQ Q Q Qj Q Sa DM Sa DM DM e H -⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=， 可得到N 级CIC 的旁瓣抑制 dB Q Q A DM Q Qs )46.13(23lg 20)lg(201⨯=⋅==πα 分析一下发现在Q 级联时多出了Q DM 这个处理增益，因此分析一下尽量减少带容差(通带衰减），即，在通带，幅度应尽量平缓；下面就它的幅平响应曲线来分析：00()20lg ()()20lg()ps j a p jw a j a s jw a H e H eH e H e αα==1、设在红线w1处抽取的信号带宽很窄，为无混叠信号的带宽,能很好的对窄带信号进行滤波，去除掉高频信号噪声；且在绿线w2=2pi/DM-w1处衰减值足够大，则在其信号带宽，红线到绿线，信号给CIC 滤 波器带来的混叠就可以忽略，计算此时阻带衰减：)2/sin()2/sin(lg 20()(lg 2022012w DM w DM e H e H A jw j ==·引入带宽比例因子b=B/（fs/DM ）, B 为抽取信号的带宽，D 为抽取因子，M 为延时因子；fs 为输入端采样率，则w1=b*2pi/DM ；带入可化简得：b A lg 201-≈； （假设b=0.01;即fs=100MHz ，D=20，信号带宽为50khz,此时衰减为40dB);可见单级的CIC 滤波器的无混叠信号带宽的阻带衰减能达到40dB;；并不怎么大，适用于较粗略的滤波，适合放在第一级抽取；如果采用级联的方式可以加大无混叠信号带宽；但是满足的通带不够窄；2、在红线w1处幅度不能下降太多，通带幅值容差不能太大，否则会引起高频失真；设该带容差为s δ，则,)()(lg 2010jw j s e H e H =δ将w1带入可简化得)sin(lg 20b bs ππδ≈，当N 级时，其带容差也会增大；由上面分析可知，阻带衰减和带容差，只与带宽比例因子b 有关，Df Bb s /=,分析可知，在信号带宽一定的前提下，应尽可能采用小的抽取因子，或增大输入采样率；故一般把它放在抽取系统的第一级，所以在配置CIC 时，信号带宽，采样率，抽取因子，综合考虑，下面是阻带衰减和通带衰减的一个表：表1：大抽取因子下的通带衰减由CIC频幅响应图可以发现，幅频特性的零点位于1/M处(M取值为整数)，这说明差分因子M决定了零点的位置；抽取因子D狭定了抽取后信号的采样频率，它同差分延时因子M一起还决定了主瓣和旁瓣的宽度；级数Q可以用来控制阻带衰减，Q越大阻带衰减越大，通带的混叠就越小，但Q越大，通带主瓣衰减也越大，所以Q不可太大，不宜超过5级。

累积梳状（CIC ）滤波器分析与设计1、累积梳状(CIC ）滤波器的分析所谓累积梳状滤波器，是指该滤波器的冲激响应具有如下形式： ⎩⎨⎧-≤≤=其它,010,1)(N n n h （1）式中N 为梳状滤波器的系数长度（后面将会看到这里的N 也就是抽取因子）。

根据Z 变换的定义，滤波器的Z 变换为：∑-=-⋅=10)()(N n n z n h z H111----=z z N)1(111Nz z---⋅-=)()(21z H z H ⋅= （2) 式中，1111)(--=zz H (3） N z z H --=1)(2 （4) 其实现框图如图1所示：可见，CIC 滤波器是由两部分组成：累积器)(1z H 和梳状滤波器)(2z H 的级联，这就是为什么称之为累积梳状滤波器的原因。

下面分析一下梳状滤波器的幅频特性.把ωj e z =代入可得)(2z H 的频率响应为： N j j e e H ωω--=1)(2 ]2[22/2/2/N j N j N j e e eωωω-⋅⋅--⋅=)2/sin(22/N e N j ωω⋅=⋅- （5） 其幅频特性为:)2/sin(2)(2N e H j ωω⋅= （6) 若设N ＝7，就可以得到如图2所示的相应的频谱特性曲线：)(2z H)(1z H图1、累积梳状滤波器的实现框图由图2可以清楚地看到：)(2ωj e H 的形状犹如一把梳子，故把其形象地称之为梳状滤波器。

同样可以求得累积器)(1z H的频率响应为：ωj e z H --=11)(112/2/2/]2[2---=ωωωj j j e e e 12/)2(sin 2-⋅=ωωj e （7） 故CIC 滤波器的总频率响应为：)()()(21ωωωj j j e H e H e H ⋅= )2/sin(/)2/sin(ωωN = )2()2(1ωω-⋅⋅=Sa NSa N (8）式中，x x x Sa /)sin()(=为抽样函数，且1)0(=Sa ，所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ，即：N e H j =)(0 （9）CIC 滤波器的幅频特性如图3所示：在)~0(π区间上称)/2~0(N π的区间为CIC 滤波器的主瓣,而其它区间称为旁瓣。

FPGA的CIC滤波器的设计1.原理概述CIC滤波器由差分器、积分器和组合器三部分组成，可有效实现信号的重采样和滤波功能。

其基本原理是将输入信号通过差分器进行差分运算，然后经过积分器进行累积运算，最后通过组合器实现滤波和重采样。

CIC滤波器的特点是具有高的通带增益和截止频率，且不需要乘法器和存储器，适合在FPGA中实现。

2.设计步骤(1)确定CIC滤波器的设计参数，包括增益因子、积分阶数、截止频率等。

(2)根据设计参数计算滤波器的结构参数，包括输入和输出数据宽度、积分器的阶数和阶间差值等。

(3)根据计算结果，设计CIC滤波器的硬件结构，包括差分器、积分器和组合器的实现方法。

(4) 使用HDL语言（如Verilog或VHDL）编写FPGA的CIC滤波器的代码，同时进行功能仿真和波形仿真。

(5)在FPGA开发板上进行综合、布局布线和验证，实现CIC滤波器的硬件设计。

3.设计关键技术(1)差分器设计：差分器实现差分运算，可以简单采用异或门或加减器实现。

需要注意输入信号的幅度范围和差分器的输出范围。

(2)积分器设计：积分器实现累积运算，需要考虑积分阶数、数据宽度和溢出等问题。

可以采用寄存器与加法器的串行或并行结构实现。

(3)组合器设计：组合器实现滤波和重采样功能，需要根据设计参数确定组合器的截止频率和增益系数。

可以采用多级组合器结构实现。

(4)输入输出接口设计：FPGA的CIC滤波器需要与外部系统进行数据交换，因此需要设计合适的输入输出接口，包括数据接口、时钟接口和控制接口等。

4.实现优化技术(1)折叠积分器：为了减少资源占用和延迟，可以采用折叠积分器结构，将多级积分器合并为一个积分器实现。

(2)级联结构：为了增加滤波器的阶数和降低截止频率，可以采用级联结构，将多个CIC滤波器级联实现。

(3)变系数设计：为了实现可调节的滤波参数，可以设计可变系数的CIC滤波器，在运行时动态调整增益因子和积分阶数。

综上所述，FPGA的CIC滤波器设计是一项复杂的数字信号处理任务，需要深入理解CIC滤波器的原理和设计方法，结合FPGA的硬件实现技术进行设计和优化。

CIC 的冲击响应{1,010,()n D h n ≤≤-=其他，D 为CIC 滤波器的阶数（即抽取因子），Z 变换后11()1Dz H z z ---=-，当积分梳状滤波器的阶数不等于抽取器的抽取倍数时，令N=DM(N 为滤波器的 阶数，D 为抽取倍数)则积分梳状滤波器的传递函数为：)1(11)(1DM z zz H ----=M 是梳状滤波器中的延时因子，故称M 为差分延时因子；其频率总响应为12()()()jw jw jwH e H e H e ==sin(/2)sin(/2)wDM w =1()()22wDM wDM Sa Sa -⋅⋅x x x Sa /)sin()(=为抽样函数，且1)0(=Sa ，所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ，即：DM e H j =)(0； 一般数字滤波器的指标：()20lg()()20lg ()a pa p a s a s H j H j H j H j ααΩ=ΩΩ=Ω通带最大衰减阻带最小衰减即：CIC 幅频特性响应曲线图由其频率响应函数可以看出其主瓣电平最大为D ，旁瓣电平为21.51()sin(3/2)/sin(3/2)sin(3/2)j DMH e DM DM ωπωπππ=⋅==，旁瓣与主瓣的差值 （用dB 数表示）为： dB A DM s 46.1323lg 20lg201===πα 可计算出旁瓣与主瓣的差值约为13.46，意味着阻带衰减很差，单级级联时旁瓣电平很大，为降低旁瓣电平，增加阻带衰减采用级联的方式，N 级频率响应为：)2()2()()2/sin()2/sin()(ωωωωωQ Q Q Qj Q Sa DM Sa DM DM e H -⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=， 可得到N 级CIC 的旁瓣抑制 dB Q Q A DM Q Qs )46.13(23lg 20)lg(201⨯=⋅==πα 分析一下发现在Q 级联时多出了Q DM 这个处理增益，因此分析一下尽量减少带内容差(通带衰减），即，在通带内，幅度应尽量平缓；下面就它的幅平响应曲线来分析：00()20lg ()()20lg()ps j a p jw a j a s jw a H e H eH e H e αα==1、设在红线w1处抽取的信号带宽很窄，为无混叠信号的带宽,能很好的对窄带信号进行滤波，去除掉高频信号噪声；且在绿线w2=2pi/DM-w1处衰减值足够大，则在其信号带宽内，红线到绿线，信号给CIC 滤波器带来的混叠就可以忽略，计算此时阻带衰减：)2/sin()2/sin(lg 20()(lg 2022012w DM w DM e H e H A jw j ==·引入带宽比例因子b=B/（fs/DM ）, B 为抽取信号的带宽，D 为抽取因子，M 为延时因子；fs 为输入端采样率，则w1=b*2pi/DM ；带入可化简得：b A lg 201-≈； （假设b=0.01;即fs=100MHz ，D=20，信号带宽为50khz,此时衰减为40dB);可见单级的CIC 滤波器的无混叠信号带宽内的阻带衰减能达到40dB;；并不怎么大，适用于较粗略的滤波，适合放在第一级抽取；如果采用级联的方式可以加大无混叠信号带宽；但是满足的通带不够窄；2、在红线w1处幅度不能下降太多，通带内幅值容差不能太大，否则会引起高频失真；设该带内容差为s δ，则,)()(lg 2010jw j s e H e H =δ将w1带入可简化得)sin(lg 20b bs ππδ≈，当N 级时，其带内容差也会增大；由上面分析可知，阻带衰减和带内容差，只与带宽比例因子b 有关，Df Bb s /=,分析可知，在信号带宽一定的前提下，应尽可能采用小的抽取因子，或增大输入采样率；故一般把它放在抽取系统的第一级，所以在配置CIC 时，信号带宽，采样率，抽取因子，综合考虑，下面是阻带衰减和通带衰减的一个表：表1：大抽取因子下的通带衰减由CIC频幅响应图可以发现，幅频特性的零点位于1/M处(M取值为整数)，这说明差分因子M决定了零点的位置；抽取因子D狭定了抽取后信号的采样频率，它同差分延时因子M一起还决定了主瓣和旁瓣的宽度；级数Q可以用来控制阻带衰减，Q越大阻带衰减越大，通带内的混叠就越小，但Q越大，通带内主瓣衰减也越大，所以Q不可太大，不宜超过5级。

CIC插值滤波器的FPGA设计与实现摘要：基于多速率信号处理原理，设计了用于下变频的CIC插值滤波器，由于CIC 滤波器结构只用到加法器和延迟器，没有乘法器，很适合用FPGA来实现，所以本文分析了CIC滤波器的原理，性能及影响参数，借助MATLAB设计符合系统要求CIC 滤波器，并利用Modelsim软件建模仿真，验证CIC滤波器性能是否达到要求。

（一）CIC滤波器基本原理A．CIC滤波器的基本单元CIC滤波器主要由积分滤波Integrator和梳状滤波Comb两个基本单元部分构成。

典型的CIC滤波器的结构，它由两个基本单元I(积分滤波器)和C（梳状滤波器）级联构成。

本设计主要针对插值滤波器，所以插值滤波器的结构示意图如图1-1所示：图 1-1 3级级联的CIC插值滤波器结构示意图积分器和梳状滤波器之间是一个采样率转换器，对于CIC插值器而言，它完成在每一个样值后补上R-1个0值的工作，，对于CIC抽取器来说，它完成在实际的抽取工作，每R个样值中取样一个。

R（插值倍数）,M（延迟因子，一般取1或者2）以及N（级联级数）是影响CIC 滤波器的三个参数，它们的值需根据通带性能的需求而设定。

（二）CIC插值滤波器的设计流程根据CIC滤波器的原理，本设计的流程如图2-1所示：图2-1 CIC 插值滤波器的设计流程图（三）模型的建立和测试A ．位宽策略对于数字滤波器，一个不得不考虑的问题是为防止溢出每一级所需的位宽。

对于抽取器来说，CIC 滤波器的输出增益为(*)NG R M = （3-1）所以，在全精度的情况下，最后一级输出的位宽为2log (*)out in B B N R M =+ （3-2）其中in B 表示输入数据的宽度，为了保证精度，每一个积分器和梳状滤波器的输入输出位宽都为out B 。

对于插值器而言，输出增益为212,1,2,....2(*)/,1, 2......2i i N i N i N G R M R i N N N --⎛⎫== ⎪ ⎪=++⎝⎭ （3-3）因此，第i 级为避免溢出所需要的位宽为2log ()i in i W B G =+ （3-4）最后一级输出位宽为22log (*)log out in B B N R M R=+- （3-5）在实际当中，当差分延时M=1时，为保证稳定，所有积分器的位宽在理论值的基础上加一。

CIC 的冲击响应{1,010,()n D h n ≤≤-=其他，D 为CIC 滤波器的阶数〔即抽取因子〕，Z 变换后11()1Dz H z z ---=-，当积分梳状滤波器的阶数不等于抽取器的抽取倍数时，令N=DM(N 为滤波器的 阶数，D 为抽取倍数)那么积分梳状滤波器的传递函数为：)1(11)(1DM z zz H ----=M 是梳状滤波器中的延时因子，故称M 为差分延时因子；其频率总响应为12()()()jw jw jw H e H e H e ==sin(/2)sin(/2)wDM w =1()()22wDM w DM Sa Sa -⋅⋅ x x x Sa /)sin()(=为抽样函数，且1)0(=Sa ，所以CIC 滤波器在0=ω处的幅度值为N ，即：DM e H j =)(0； 一般数字滤波器的指标：()20lg()a p a p H j H j αΩ=Ω通带最大衰减即：CIC 幅频特性响应曲线图由其频率响应函数可以看出其主瓣电平最大为D ，旁瓣电平为21.51()sin(3/2)/sin(3/2)sin(3/2)j DMH e DM DM ωπωπππ=⋅==，旁瓣与主瓣的差值 〔用dB 数表示〕为：dB A DM s 46.1323lg 20lg201===πα 00()20lg ()()20lg()ps j a p jw a j a s jw a H e H eH e H e αα==可计算出旁瓣与主瓣的差值约为13.46，意味着阻带衰减很差，单级级联时旁瓣电平很大，为降低旁瓣电平，增加阻带衰减采用级联的方式，N 级频率响应为：)2()2()()2/sin()2/sin()(ωωωωωQ Q Q Qj Q Sa DM Sa DM DM e H -⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=， 可得到N 级CIC 的旁瓣抑制dB Q Q A DM Q Q s )46.13(23lg 20)lg(201⨯=⋅==πα 分析一下发现在Q 级联时多出了Q DM 这个处理增益，因此分析一下尽量减少带内容差(通带衰减〕，即，在通带内，幅度应尽量平缓；下面就它的幅平响应曲线来分析：1、设在红线w1处抽取的信号带宽很窄，为无混叠信号的带宽,能很好的对窄带信号进展滤波，去除掉高频信号噪声；且在绿线w2=2pi/DM-w1处衰减值足够大，那么在其信号带宽内，红线到绿线，信号给CIC 滤波器带来的混叠就可以忽略，计算此时阻带衰减：)2/sin()2/sin(lg 20()(lg 2022012w DM w DM e H e H A jw j ==·引入带宽比例因子b=B/〔fs/DM 〕, B 为抽取信号的带宽，D 为抽取因子，M 为延时因子；fs 为输入端采样率，那么w1=b*2pi/DM ；带入可化简得：b A lg 201-≈； 〔假设b=0.01;即fs=100MHz ，D=20，信号带宽为50khz,此时衰减为40dB);可见单级的CIC 滤波器的无混叠信号带宽内的阻带衰减能到达40dB;；并不怎么大，适用于较粗略的滤波，适合放在第一级抽取；如果采用级联的方式可以加大无混叠信号带宽；但是满足的通带不够窄；2、在红线w1处幅度不能下降太多，通带内幅值容差不能太大，否那么会引起高频失真；设该带内容差为s δ，那么,)()(lg 2010jw j s e H e H =δ将w1带入可简化得)sin(lg 20b b s ππδ≈，当N 级时，其带内容差也会增大；由上面分析可知，阻带衰减和带内容差，只与带宽比例因子b 有关，Df Bb s /=,分析可知，在信号带宽一定的前提下，应尽可能采用小的抽取因子，或增大输入采样率；故一般把它放在抽取系统的第一级，所以在配置CIC 时，信号带宽，采样率，抽取因子，综合考虑，下面是阻带衰减和通带衰减的一个表：表1：大抽取因子下的通带衰减表2：大抽取因子下的阻带衰减由CIC频幅响应图可以发现，幅频特性的零点位于1/M处(M取值为整数)，这说明差分因子M决定了零点的位置；抽取因子D狭定了抽取后信号的采样频率，它同差分延时因子M一起还决定了主瓣和旁瓣的宽度；级数Q可以用来控制阻带衰减，Q越大阻带衰减越大，通带内的混叠就越小，但Q越大，通带内主瓣衰减也越大，所以Q不可太大，不宜超过5级。

毕业设计开题报告电子信息工程基于FPGA的CIC滤波器的设计与仿真一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义基于多速率信号处理原理，设计了用于下变频的CIC抽取滤波器，由于CIC滤波器结构只用到加法器和延迟器，没有乘法器，很适合用FPGA来实现。

滤波器的结构简单, 需要的存储量小, 是被证明在高速抽取和插值系统中非常有效的单元。

随着数字信号处理算法的不断优化，数字信号处理器（Digital Signal Processors, DSPs）性能的不断提高，数字信号处理技术越来越被广泛地应用在各个领域。

数字信号处理技术正朝着高速高性能方向发展，因此这对数字信号处理的手段和工具也提出了更高的要求。

随着现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）制造工艺的不断改进，其集成度和性能的不断提高，采用FPGA对数字信号进行处理越来越受到重视。

与DSP相比，FPGA有着不可比拟的优势。

一方面，与DSP靠程序指针来运行程序相比，FPGA 执行算法的本质是靠电路并行执行的，因此在同样的时钟频率下，使用FPGA完成数字信号处理算法要比使用DSP快得多。

另一方面，由于FPGA编程灵活，资源可重新配置，使得在实现数字信号处理时更加灵活，成本更低。

因此，FPGA性能的不断提高，能够满足未来复杂数字信号高速实时处理的要求。

用FPGA设计滤波器，无非是是设计一些乘累加单元，其滤波器的各种特性即滤波参数可以通过MATLAB仿真获得。

所以首先要做的是确定你滤波器的设计要求，在MATLAB中仿真设计出该滤波器，从而导出滤波器系数，才能在FPGA中使用。

CIC滤波器由于其无需乘法器以及结构特殊，在移动电视直放站的数字信号处理中，可以高效地胜任抽取滤波的任务。

然而C1C滤波器也有缺陷，一者通带下垂严重，二者信号折叠带衰减不充分，而且此两者难以兼顾。

RS修正法和Kaiser—Hamming补偿法联合使用于CIC滤波器的改进技术中，有效地解决了该问题。