CIC滤波器

CIC滤波器是无线通信的常用模块，一般用于数字下变频（DDC）核数字上变频（DUC）系统。CIC滤波器结构简单，没有乘法器，只有加法器、积分器和寄存器，可以实现高速滤波，常用在输入采样率最高的第一级。

1.单级CICI滤波器

CIC滤波器包括两个基本组成部分：积分部分和梳妆部分，如图所示：

积分部分的积分器是单极点的IIR滤波器，并且反馈系数为1，状态方程为：

上述的积分器也可以看做是累加器。根据Z变换，积分器的传输函数为：

梳妆器是一份FIR滤波器，其状态方程为：

式中，D是设计参数，称为微分延迟，其传输函数为：

那么：单级CIC滤波器的传递函数为：

令

带入上式，可以得到传递函数的幅频响应为：

CIC滤波器的幅频响应特性如图所示，其中[0,2π/DM]为主瓣，其他的区间称为旁瓣。

从幅频响应特性可以看到，主瓣的最大值为DM（在 w=0时w=0时），旁瓣的最大值在 w=3π/DMw=3π/DM处 取得

它与主瓣电平的差值为：

根据在 θ在0~ 45°时， θ≈sinθ，可得：

可见单级CIC滤波器的旁瓣电平较大，阻带衰减较差。为降低旁瓣电平，可以采用多级CIC滤波器级联办法来实现。

2.多级CICI滤波器

一个N级CIC抽取滤波器系统传递函数为：

在N级级联时，阻带衰减为单级衰减的N倍，即13.46×N(dB)。

学习 FPGA 应学什么

---------------------------------------------------------------------------不仅仅学习， 更关注现实中的应用

FPGA 真正强大的地方在于它的快速的并行处理数据能力， 这也是它与单片

机、ARM、DSP 的很大的区别。所以她能进行高速的数据采样和处理，也只有

在通信和视频处理等领域才能发挥它的强大功能，IC 设计方面也只是用它来作

为设计验证的平台而已（个人观点）。

关于 NIOS，我个人觉得它并不是很好用，SOPC 在实际应用中很少用到，

实用性比不上单片机和 ARM，使用起来远远比不上 ARM 和单片机方便，因为

关于 ARM、单片机的应用和支持实在太丰富了，而用 FPGA 仅仅作为 NIOS 的

平台，那他的代价实在是太高，起码到目前为止，NIOS 取代不了 ARM 和单片

机。NIOS、ARM、单片机都是基于 C 语言编程，如果你打算花时间去学 NIOS

（那也只是学习而已） 我建议你花更多的时间去学习 ARM 或单片机， 因为 ARM

或单片机更实用，更有“钱途” 。要弄清楚 C 语言和 Verilog 语言的本质区别

言归正传，学习 FPGA 到底应关注哪些方面呢？

本开发板让你感觉到是在真正的进行 FPGA 的学习和设计，而不是把 FPGA

当作一个单片机来学习，不仅仅是用它来控制 LED，如此现实用处也不大。本

开发板会让你体验到 FPGA 设计和 matlab 结合是多么有趣，设计 FIR 滤波器、

CIC 滤波器、DDC/DUC、DDS 等，而这些正是现实的工作岗位所应该具备的能

力，让 FPGA 真正的发挥它应有的强大功能。

学习 FPGA 要有电路的思想， 而用 NIOS 编辑 C 语言完全不用考虑硬件电路

（这是 C 语言的特点）， 所以学习 FPGA 时不用偏离了数字电路的核心思想：逻

辑设计，而不是 C 语言设计，同时要了解 FPGA 的内部电路结构。

逻辑设计：就是用 verilog HDL 或者 VHDL 来设计要求的逻辑功能，通过综

合软件把代码综合成逻辑电路。

同步设计： “数字电路中,时钟是整个电路最重要、最特殊的信号。系统内大

部分器件的动作都是在时钟的跳变沿上进行, 这就要求时钟信号时延差要非常

小, 否则就可能造成时序逻辑状态出错；时钟信号通常是负载最重的信号, 所以

要合理分配负载。 出于这样的考虑在 FPGA 这类可编程器件内部一般都设有数量

不等的专门用于系统时钟驱动的全局时钟网络。 这类网络的特点是： 一、 负载能

力特别强, 任何一个全局时钟驱动线都可以驱动芯片内部的触发器 二是时延差

特别小 三是时钟信号波形畸变小, 工作可靠性好。

同步设计时, 全局时钟输入一般都接在器件的时钟端, 否则会使其性能受到

影响。 若系统需要多个系统， 则最好由一个时钟源从 FPGA 时钟管脚输入， 才从

同 FPGA 的 PLL 分频或倍频得到多个时钟。

时序约束： 这是学习 FPGA 的高级功能了， 在设计高速的电路时， 这个功能

常常会被用到，要使 quartus 综合出高速而稳定的 FPGA 电路，必须对高速接口

和 FPGA 内部的电路进行时序约束。

基本的时序约束：1. 核心频率约束

2. 核心频率约束+时序例外约束

3. 核心频率约束+时序例外约束+I/O 约束

这些约束在通信系统的设计者通常会用到，当然还有更详细的约束方法，大

家可以参考光盘 CD1 中的时序约束部分。

养成好的编码风格： 编码风格的养成要有一定的编码基础的， 不然看很多别

人写的关于编码风的文章你也看不懂， 也不能正确的执行， 等有了一定 FPGA 基

础之后， 再去审视自己的编码风格和别人建议的编码风格， 才最终形成一个成熟

的编码风格。 编码风格多种多样， 不同的编码风格应用的领域不一样， 有的编码

风格适用于通信领域，有的编码风格适用于 ASIC 设计。

学习 FPGA 的前景：

学习 FPGA 的前景

FPGA 从诞生以来经历了从配角到主角的转变，FPGA 主要用于取代复杂的逻辑电

路， 现在重点强调平台概念， 当集成数字信号处理器、 嵌入式处理器、 高速串行

和其它高端技术后， 从而被应用到更多的领域， 正因为其飞速的发展， 让更多学

FPGA 的人看到了希望，其广阔的前景正是我们选择的原因之一。

（1）广阔的发展前景

据市场调研公司 Gartner Dataquest 预测， 2010 年 FPGA 和其它可编程逻辑器件

(PLD)市将从 2005 年的 32 亿美元增长到 67 亿美元， 未来还将有不断增长的趋势。

FPGA 及 PLD 产业发展的最大机遇是替代 ASIC 和专用标准产品(ASSP)，由 ASIC

和 ASSP 构成的数字逻辑市场规模大约为 350 亿美元。 由于用户可以迅速地对 PL

D 进行编程，按照需求实现特殊功能，与 ASIC 和 ASSP 相比，PLD 在灵活性、开

发成本、产品快速上市方面更具优势，所以未来FPGA 将会是一个非常有前景的

行业。

由于 FPGA 结构的特殊性，可以重复编程，开发周期较短，越来越受到人们的青

睐，它的特点也更接近 ASIC，ASIC 比 FPGA 最大的优势是低成本，但是 FPGA 的

价格现在也越来越低，例如，Actel 的 Nano 系列更是打破了 FPGA 的价格屏障，

提供超过 50 种低于 1 美金的 FPGA，在一定程度上已经可以与 ASIC 相抗衡。

根据当前发展的趋势， 未来的 FPGA 势必将会取代大部分 ASIC 的市场， 虽然根据

摩尔定律(Moore’s Law)： 每 18 至 24 个月能在相同的单位面积内多集成一倍的

晶体管数目， 也就意味着每 18 至 24 个月后芯片成本将减半， 但这只是指裸晶(D

ie)的成本，并不表示整个芯片的成本减半，这是由于晶圆制造前端的掩膜(Mas

k)成本、 晶圆制造后端的封装(也称为： 构装、 包装)成本、 人力成本等都不会随

摩尔定律而变化， 反而芯片的成本有上升的趋势， 所以过去许多中、 小用量的芯

片无法用先进的工艺来生产，对此不是持续使用旧工艺来制造，或是必须改用 F

PGA 芯片来生产……

未来的趋势告诉我们，FPGA 将成为 21 世纪最重要的高科技产业之一，特别是国

内的 FPGA 市场，更是一个“未完全开垦的处女地”，抓住现在的机遇也就意味

着为我们的将来提供更强大的竞争力。

（2）更多的就业机会

虽然 FPGA 市场的广阔， 但是 FPGA 的技术人员却极度地缺乏， 很多高校仍然未重

视 FPGA 技术的教学， 导致学生毕业后连什么是 FPGA， 什么是Verilog 都不知道，

失去了很多的就业机会。广州周立功单片机发展有限公司三年来跑遍了全国 22

个城市， 每次宣讲会场里场外都站满了人， 每个学生都渴望寻找一份好工作的心

情由此可见一斑，但通过考试发现懂 FPGA 和 Verilog 的学生却寥寥无几，尽管

我们每年都对招聘 FPGA 人才寄予了很大的希望，但每次都失望而归，深深地体

会到招聘 FPGA 开发工程师困难重重。

由此可见在应届毕业生中熟练掌握 FPGA 的学生已经属于稀缺资源了，然而企业

为培养 FPGA 开发工程师无不付出沉重的代价，所以对于在校电类专业的学生来

说，这是打造个人差异化竞争力的大好机会，事实上只要掌握 FPGA 就能够找到

一份薪水更好的工作。 我们公司每次在考核员工时， 往往都会特别关注这些“特

殊员工”，一般来说这些员工的薪水都会比其它岗位高 500 元，这就是学习 FPG

A 的就业优势，但是很多人不曾完全意识到掌握 FPGA 技术的重要性。

当前受金融危机的影响，对学生的就业更是巨大的考验，据教育部的统计，200

8 年全国普通高校毕业生达 559 万人， 比 2007 年增加 64 万人， 2009 年高校毕业

生规模达到 611 万人， 比 2008 年增加 52 万人， 如此多的大学生面临着就业的问

题， 如果个人不具备一定的优势， 必将淹没在人海茫茫的潮流中而找不到理想的

工作，而学习 FPGA 则可以帮助学生多一技之长，大大提高就业的机会。

（3）更大的技术发展空间

我们知道半导体一直是国内比较薄弱的产业，与国外相比相差甚远，大部分 IC

都来自欧美地区，国内拥有自主知识产权的 IC 技术不多，多半需要引进国外先

进的IC 设计技术。但是自 2000 年以来，中国大陆的 IC 设计企业如雨后春笋般

迅速涌现，企业数量 5 年增加了 4 倍多，2005 年已经达到 500 多家，销售收入

过亿元人民币的设计企业达到 17 家，其中两家超过 5 亿元的销售规模。概括地

讲， 中国的 IC 设计公司可以分为 4 类， 第一类是国有 IC 设计公司， 一般是承担

政府研发任务的研究所转制后成立的； 第二类是由系统厂商的设计部门独立出来

的 IC 设计公司；第三类是民营 IC 设计公司，以海归型为主；最后一类是外资 I

C 设计公司。

由此可见 IC 设计也是未来发展的一个重点方向，将会是国家大力扶持的产业之

一， 而 IC 的设计人员必须掌握 FPGA 的技术， 在芯片流片之前都是通过FPGA 来

进行前期设计验证的，与 FPGA 使用同样的设计语言，只是在后端的设计中才用

到 IC 设计方面的特定技术，而 IC 设计人员必定是懂得 FPGA 设计的人，因此掌

握 FPGA 技术是通往 IC 设计殿堂的必经之路

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