基于FPGA的FIR数字滤波器设计.doc

1、 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 I 学士论文 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 草鱼 草鱼 草鱼 摘 草鱼 草鱼 要 草鱼 草鱼 随着公元的第二十一个世纪的到来 ， 鲤鱼 今天我们进入了一个科技日新月异的时代 。 草鱼 在现代电子数字系统中 ， 鲤鱼 滤波器都以一个不可缺少的身份出现 。 草鱼 其中 ， 鲤鱼 FIR 数字滤波器又以其良好的线性特性被广泛和有针对性的大量使用 。 草鱼 众所周知 ， 鲤鱼 灵活性和实时性是工程实践中对数字信号处理的基本要求 。 草鱼在以往使用的各种滤波器技术中 ， 鲤鱼 不难发现有许许多多的问题 。 草鱼 但是 ， 鲤鱼 随着

2、现代计算机技术在滤波问题上的飞跃 ， 鲤鱼 派生出 一个全新的分支 数字滤波器 。 草鱼 利用可编程逻辑器件和 EDA技术 ， 鲤鱼 使用FPGA来实现 FIR 滤波器 ， 鲤鱼 可以同时兼顾实时性和灵活性 。 草鱼 基于 FPGA的 FIR 数字滤波器的研究势在必行 。 草鱼草鱼 本论文讨论基于 FPGA的 FIR 数字滤波器设计 ， 鲤鱼 针对该毕业设计要做的基本工作有如下几点 ： pork草鱼 （一）掌握有限冲击响应 FIR（ Finite 草鱼 Impulse 草鱼 Response， 鲤鱼 草鱼 FIR）的基本结构 ， 鲤鱼 研究现有的实现方法 。 草鱼 对各种方案和步骤进行比较和论

3、证分析 ， 鲤鱼 然后针对目前 FIR 数字滤波器需 要的特点 ， 鲤鱼 速度快和硬件规模小 ， 鲤鱼 作为指导思想进行设计计算 。 草鱼草鱼 （二）基于硬件 FPGA的特点 ， 鲤鱼 利用 Matlab 软件以及窗函数法设计滤波器 。 草鱼 对整个 FPGA 元件 ， 鲤鱼计划采用模块化 、 pork层次化设计思想 ， 鲤鱼 从而对各个部分功能进行更为详细的理解和分工设计 。 草鱼 最终FIR 数字滤波器的设计语言选择 VHDL 硬件编程语言 。 草鱼草鱼 （三）设计中的软件仿真使用 Altera 公司 的综合性 PLD 开发软件 Quartus 草鱼 II， 鲤鱼 并且利用 Matlab工

4、具进行对比仿真 ， 鲤鱼 在仿真的过程中 ， 鲤鱼 对比证明 ， 鲤鱼 本论文设计的滤波器的技术指标已经全部达标 。草鱼草鱼 草鱼 关键词 ： por k数字滤波器 草鱼 草鱼 草鱼 Matlab 草鱼 草鱼 草鱼 可编程逻辑元件 草鱼 草鱼 草鱼 模块化算法 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 Based 草鱼 On 草鱼 FPGA 草鱼 Design 草鱼 Of 草鱼 FIR 草鱼 Digital 草鱼 Filters 草鱼 草鱼 Major： porkElectronic 草鱼 And 草鱼 Information 草鱼 Engineering 草鱼 Department（

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10、n 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 FIR 草鱼 digital 草鱼 filters 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 technology 草鱼 of 草鱼 FPGA. 草鱼 Several 草鱼 points 草鱼 are 草鱼 worth 草鱼 mentioning 草鱼 here:草鱼 (1)To 草鱼 understand 草鱼 and 草鱼 master 草鱼 the 草鱼 basic 草鱼 structure 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 limited 草鱼 shock 草鱼 Response 草鱼 FIR 草鱼 (Finite 草鱼Impulse 草鱼 R

11、esponse， 鲤鱼 草鱼 FIR)， 鲤鱼 草鱼 research 草鱼 existing 草鱼 realization 草鱼 method， 鲤鱼 to 草鱼 use 草鱼 various 草鱼 solutions 草鱼 to 草鱼 compare 草鱼 and 草鱼 analyze 草鱼 the 草鱼 steps 草鱼 and 草鱼 demonstrations;pork 草鱼 then， 鲤鱼 草鱼 to 草鱼 do 草鱼 the 草鱼 self 草鱼 design 草鱼 and 草鱼 correction 草鱼 concerning 草鱼 the 草鱼 characteristic

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13、草鱼 ready 草鱼 to 草鱼 use 草鱼 of 草鱼 Matlab 草鱼 software 草鱼 and 草鱼 window 草鱼 function 草鱼 method 草鱼 design 草鱼 filter. 草鱼 As 草鱼 far 草鱼 as 草鱼the 草鱼 whole 草鱼 FPGA 草鱼 components 草鱼 are 草鱼 concerned， 鲤鱼 草鱼 we 草鱼 plan 草鱼 to 草鱼 carry 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 modularized 草鱼 and 草鱼 hierarchic 草鱼 design， 鲤鱼 草鱼 in 草鱼 order 草鱼

14、to 草鱼 have 草鱼 a 草鱼 more 草鱼 detailed 草鱼 understanding 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 function 草鱼 of 草鱼 each 草鱼 part 草鱼 and 草鱼 make 草鱼a 草鱼 division 草鱼 of 草鱼 design. 草鱼 Eventually， 鲤鱼 草鱼 FIR 草鱼 digital 草鱼 filters 草鱼 will 草鱼 adopt 草鱼 the 草鱼 VHDL 草鱼 hardware 草鱼 programming 草鱼 language.草鱼 (3) 草鱼 To 草鱼 adopt 草鱼 the 草鱼 co

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17、 数字滤波器设计 III 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 目 草鱼 草鱼 录 草鱼草鱼 草鱼 1 绪 草鱼 论 1 草鱼 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 IV 1.1 本课题研究意义 1 草鱼 1.2 国内外研究现状分析 1 草鱼 1.3 研究思路 1 草鱼 1.4 相关概念说明 1 草鱼 2 草鱼 FIR 数字滤波器的设计方法 6 草鱼 2.1 理论部分 6 草鱼 2.1.1 引言 6 草鱼 2.1.2 草鱼 FIR 数字滤波器

18、的基础 6 草鱼 2.1.3 数字滤波器的设计原理 7 草鱼 2.1.4 草鱼 FIR 数字滤波器的理论计算方式与参数转换思想 : 8 草鱼 2.1.5 草鱼 Matlab 直接 FDAtool 设计方式解析 14 草鱼 2.1.6 草鱼 FDAtool 设计模板及设计结果图 17 草鱼 2.2 程序分析部分 17 草鱼 2.2.1 FPGA 草鱼 可编程逻辑元件介绍 17 草鱼 2.2.2 草鱼 Quartus及 Verilog 草鱼 HDL介绍 19 草鱼 2.2.3 实际滤波器程序设计（ 11 阶 FIR 数字滤波器） 20 草鱼 2.2.4.VerilogHDL 的实现 21 草鱼 3

19、 草鱼滤波器仿真滤波 29 草鱼 3.1 设置混合信号 29 草鱼 3.2 设置仿真参数 31 草鱼 3.3 草鱼 仿真总结 34 草鱼 4 草鱼 总结与展望 34 草鱼 4.1 草鱼 设计成果总结 34 草鱼 4.2 草鱼 设计心得 34 草鱼 参考文献 34 草鱼 致谢 错误 !未定义书签。 草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 1 1 绪 草鱼 论 草鱼 1.1 本课题研究意义 草鱼 在现代 通信 信号处理领域中 ， 鲤鱼 随着各种精密计算和快速计算的发展对信 号处理的实时性 、 pork快速性的要求越来越高 。 草鱼 以往的模拟滤波器无法克服电压漂移 、 por

20、k温度漂移和噪声等问题 ， 鲤鱼 从而带来了许多误差和不稳定因素 。 草鱼 而数字滤波器具有稳定性高 、 por k精度高 、 por k设计灵活 、 por k实现方便等突出优点 。 草鱼草鱼 FPGA 元器件在高速并行处理和数据传输中有独特优势 ， 鲤鱼 FPGA 正在前端信号处理中越来越多地代替 ASIC 和 DSP。 草鱼 我们需要的就是这种设计周期短 ， 鲤鱼 功能密度高 ， 鲤鱼 重组时间短的元器件 。 草鱼草鱼 本文在 FPGA 元器件的基础上 ， 鲤鱼 实现现代 FIR 数字滤波器功能 。 草鱼 并且研究多种快速的 FIR 数字滤波器的理论设计思想和程序设计方法 。 草鱼草鱼

21、1.2 国内外研究现状分析 草鱼 1985 年 XilinX 公司 生产出了 第一块 FPGA 元器件 ， 鲤鱼 由于它有着集成度高 、 pork方便易用 、 pork开发和上市周期短的绝对优势 ， 鲤鱼 使得 FPGA 器件在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用 ， 鲤鱼 发展潜力十分巨大 。 草鱼 现在 FPGA 已经发展到可以利用硬件乘加器 、 pork片内储存器 、 pork逻辑单元 、 pork流水处理技术等特有的硬件结构 ， 鲤鱼 高速完成 FFT 草鱼 、 porkFIR 草鱼 、 pork复数乘 加 、 pork卷积 、 pork三角函数以及矩阵运算等数字信号处理 。 草鱼这

22、样可以完成信号处理的主要技术 ， 鲤鱼 如中频采样 、 pork参数估计 、 pork自适应滤波 、 pork脉冲压缩 、 pork自适应波束形成和旁瓣对消等 。 草鱼草鱼 1.3 研究思路 草鱼 通过对目前数字滤波器的几种实现方法的简单分析 ， 鲤鱼 本文认为基于 FPGA 的数字滤波器具有许多优点 ， 鲤鱼 本文考虑到信息技术的发展对于数字滤波器的要求越来越高 ， 鲤鱼 而目前 FIR 数字滤波器的性能还不完善 ， 鲤鱼 于是选择了基于 FPGA 的数字滤波器作为主要研究内容 ， 鲤鱼 通常滤波器在进行数据 处理时用到了卷积运算 ， 鲤鱼 在设计中的解决这些乘法运算的思路是将它们转换成加减

23、法 ， 鲤鱼 这是目前解决乘法运算的主流思想 。 草鱼 设计初期在 Matlab 下对滤波器原理进行证明包括（零极点图 、 pork时域和频域分析图等） ， 鲤鱼 分析 FIR 数字滤波器的多种理论设计思想和窗函数选择方法 ， 鲤鱼 在设计后期对 FIR 数字滤波器的小数乘法问题进行单独论证 。 草鱼 然后对分析出来的问题进行论证和解决 ， 鲤鱼 最后在 QUARTUS 中进行仿真验证 。 草鱼 草鱼 1.4 相关概念说明 草鱼 数字滤波器（ Digital 草鱼 filter)是由数字乘法器 、 pork加法器和延时单元组成的一种装置 。 草鱼 其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理

24、， 鲤鱼 以达到改变信号频谱的目的 。 草鱼 可认为是一个离散时间系统按预定的算法 ， 鲤鱼 将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置 FIR（ Finite 草鱼Impulse 草鱼 Response 草鱼 ）由线性系统理论可知 ， 鲤鱼 在某种适度条件下 ， 鲤鱼 输入到线性系统的一个冲击完全可基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 2 以表征系统 。 草鱼 当我们处理有限的离散数据时 ， 鲤鱼 线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的 。基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 3 草鱼 若线性系统仅是一个空间滤波器 ， 鲤鱼 则通过简单 地观察它对冲击的

25、响应 ， 鲤鱼 我们就可以完全确定该滤波基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 4 器 。 草鱼 通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（ FIR)滤波器 。 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 5 图 1-1 总体设计流程图 草鱼 设计定位理论部分 程序分析部分选题 资料准备滤波器基础研究滤波器设计方法研究软硬件介绍分析程序设计明确目标 奠基指导 指导基础选择规划仿真错误修正及优化总结设计成功基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器设计 6 2 草鱼 FIR 数字滤波器的设计方法 草鱼 2.1 理论部分 草鱼 2.1.1 引言 草鱼 数字滤波器的功能一般是用来变换时域

26、或者频域中某些要求信号的属性 ， 鲤鱼 滤除信号中某一部分频率分量 。 草鱼 经过数字滤波器的信号是让其频谱与数字滤波器的频率响应相乘从而得出新的结果 。 草鱼 经过一个线性卷积过程 ， 鲤鱼 从时域上输入信号与滤波器的 单位 冲击响应作一个卷积和 。 草鱼 下面 是 卷积定义式 ：por k草鱼 k k kfknxknfnxnfnxny 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 1） 草鱼 LTI 数字滤波器在一般情况下分为有限脉冲响应（ Finite 草鱼 impulse 草鱼 response）和无限脉冲响应 (Infinite 草鱼 impulse 草鱼 response)， 鲤鱼 FIR 数

27、字滤波器的设计方法和 IIR 滤波器的设计方法有很大的差别 。 草鱼 因为其设计方向是选择有限长度的 h(n)， 鲤鱼 使频率响应函数 H(e j )满足指标 。 草鱼 数字滤波器正在用直接的电子计算 机规范和算法进行分析的方式来逐渐代替传统的模拟滤波器的 RLC 元器件和放大电路 。 草鱼 草鱼 2.1.2 草鱼 FIR 数字滤波器的基础 草鱼 首先介绍 FIR 数字滤波器基本原理 ， 鲤鱼 在如下表格中对 FIR 和 IIR 数字滤波器进行了全面的比较 ： pork草鱼 草鱼 表 2-1 两种滤波器特点比较分析 FIR 数字滤波器 IIR 数字滤波器 设计 草鱼 方法 草鱼 在一般的情况下 ， 鲤鱼 FIR 数字滤波器没有设计公式 。 草鱼 它的设计需要借助计算机程序完成 可以利用 AF 的设计成果 ， 鲤鱼 可简单 、 por k有效地完成设计 阶数 高 低 稳定性 草 鱼 在稳定性方面（稳定） ， 鲤鱼 极点全部在原点 存在一定的稳定性问题 ， 鲤鱼 需要注意 结构 非递归系统 递归系统 运算误差 草鱼一般情况下不存在反馈 ， 鲤鱼 运算的误差比较小 存在反馈 ， 鲤鱼 由于运算中的特殊运算方法会产生极限环 草鱼 通常情况下一般数字滤波器的 N 阶 FIR 数字滤波器基于输入信号 x(n)的表达式为 ： pork草鱼