IMPLEMENTACION DE FILTROS DIGITALES EN FPGA
Enviado por William Javier Sánchez • 6 de Agosto de 2018 • Informes • 2.223 Palabras (9 Páginas) • 189 Visitas
IMPLEMENTACION DE FILTROS DIGITALES EN FPGA
William Javier Sánchez Gamboa
Facultad de Ingeniería
Programa de Ingeniería Electrónica extensión Tunja
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Tunja, Boyacá - Colombia
williamjavier.sanchez@uptc.edu.co
Gina Alexandra Becerra Luna
Facultad de Ingeniería
Programa de Ingeniería Electrónica extensión Tunja
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Tunja, Boyacá - Colombia
gina.becerra@uptc.edu.co
Resumen—En este informe se presenta el desarrollo y los resultados obtenidos en la tercera practica de laboratorio del área de electrónica digital II, que consistió en cuatro partes las cuales son: diseño e implementación de un filtro promedio de respuesta infinita al impulso, diseño e implementación de un filtro promedio FIR de N muestras, simulación diseño e implementación de filtros FIR LPF, HPF, BPF usando distintas ventanas de atenuación y por último la implementación de un filtro comb para agregar eco a la voz. Los ejercicios enunciados se implementaron en FPGA en este caso la board DE1 de la familia CYCLONE II de ALTERA, los circuitos y sistemas se desarrollan por medio del lenguaje de descripción de hardware VHDL y la ayuda del software MATLAB®.
Introduccion
El diseño e implementación de circuitos digitales de mayor complejidad para la elaboración de aplicaciones más robustas requiere una conceptualización algo extensa para lograr la consecución de las mismas. Para este caso se hace necesario traer a colación la temática referente al diseño de filtros FIR, las ecuaciones de comportamiento tanto de los tipos de filtro como de las ventanas de atenuación y tener en cuenta los pasos en el diseño de este tipo de filtros, se hace importante apoyarse en el software Matlab® para el diseño del filtro especialmente para el cálculo de coeficientes y pruebas tanto en el dominio de la frecuencia como la respectiva respuesta en magnitud finalmente es indispensable conocer la síntesis del Hardware de un filtro tipo FIR en VHDL para su implementación en FPGA.
DESARROLLO.
Para el desarrollo de esta práctica de laboratorio se hace necesario el uso de los puertos de entrada y salida de señales de audio de la tarjeta de desarrollo DE1 cuyo funcionamiento es posible gracias al uso de un CODEC de audio el cual por medio de una interfaz, configuración y control puede leer datos provenientes del ADC y enviarlos de nuevo al CODEC permitiendo que el audio que ingresa se reproduzca de inmediato.
En la imagen 1 se presenta un diagrama de bloques conceptual de la interfaz, configuración y control del CODEC de audio utilizado en esta práctica en el cual se configuran los componentes necesarios para el correcto funcionamiento de los elementos anteriormente descritos, además de que en este diagrama se puede ver el bloque que permite modificar el circuito diseñado por el grupo de trabajo el cual hace referencia al filtro y la forma en que este interactúa con las señales de control y enlace del CODEC de audio.
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Imagen 1. Diagrama de bloques de la interfaz, configuración y control del Codec de audio (Fuente: Guía de laboratorio).
Filtro promedio de respuesta Finita al Impulso (FIR) básico
Para este inciso se diseñó un filtro promedio de respuesta infinita al impulso teniendo como base de estudio una técnica básica del procesamiento digital de señales conocido como filtrado el cual permite realizar un ajuste a determinada señal. Para el caso de estudio se diseñó el filtro promedio con el fin de eliminar el ruido proveniente de una señal de audio externa (pista musical reproducida desde un computador) teniendo como objetivo la eliminación significativa de ruido haciendo la voz del cantante considerablemente limpia.
Esto fue posible mediante la síntesis del Hardware de un filtro promedio de la figura 2, el cual atreves de bloques de suma, división y multiplicación, así como del uso de registros puede remover las desviaciones en el sonido tomando ocho muestras adyacentes. El sistema descrito en lenguaje VHDL es la instanciación de los bloques aritméticos anteriormente mencionados siguiendo el diagrama de bloques del filtro promedio en cuestión.
Teniendo el filtro sintetizado este se instancia en el código del CODEC de audio dedicado para realizar las pruebas pertinentes con audio proveniente de un reproductor externo.
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Imagen 2. Filtro Promedio (Fuente: Guía de Laboratorio).
Filtro promedio de N muestas
Para el desarrollo de esta aplicación se implementó un filtro promedio de N muestras como el que se muestra en la imagen 3, el cual tiene como base el filtro descrito en la parte anterior. La diferencia de esta aplicación es que a la señal de entrada se le sumará ruido esto es posible a un circuito sintetizado en VHDL que genera este fenómeno.
[pic 3]
Imagen 3. Filtro Promedio de N muestras (Fuente: Guía de Laboratorio).
El filtro diseñado e implementado en la parte anterior no tiene la capacidad de remover el ruido en su totalidad por lo que se hace necesario generalizar el filtro usando una FIFO de N muestras cuya estructura se muestra en la imagen 4.
[pic 4]
Imagen 4. FIFO de N muestras (Fuente: Propia).
Se debe realizar un bloque de la imagen 5 para realizar la suma del ruido y la señal del audio y filtrarla, este bloque es el que se instancio en el código del códec.
[pic 5]
Imagen 5. Suma ruido y filtro (Fuente Propia).
Diseño, simulación e implementación de filtros FIR usando ventanas de atenuación.
En esta parte del laboratorio se diseñaron filtros LPF, HPF y BPF usando las siguientes ventanas de atenuación: Ventana de han, ventana de haming, ventana de bohman, ventana de blackman-harris, para una frecuencia de corte para el caso del pasa bajas de 2KHz, una frecuencia de corte de 8KHz para el cado del pasa altas y estas mismas frecuencias tanto final como inicial para el caso del pasa banda respectivamente, la frecuencia de muestreo es de 48KHz, el orden de estos filtros es de 628.
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