1、本科毕业论文（20 届）基于 FPGA 开发板的数字滤波器所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要当前，在数字信号处理方面和电子应用技术范围之中，数字滤波器是非常关键重要的一环，处在一个不可或缺的位置上，其实用价值越来越明显。本论文首先在研究了很多国际国内的专业技术文献的基础上，首先讲解了滤波器和FPGA 的研究开发意义及国内国外研究情况，阐述了数字滤波器的相关知识，并且介绍了 FPGA 的有关原理和 VHDL 硬件描述语言，然后综合理论基础概括了 FIR 数字滤波器的相关理论原理，并在这基础上设计完成了基于 FPGA 的FIR 数字滤波器，然后
2、利用 MATLAB 软件对 FIR 滤波器进行波形功能仿真。本设计详细分析了数字滤波器的功能特性、实现方法和设计流程。本文在 Xilinx ISE v14.7 开发环境下，通过 modelsim 进行仿真，并且借助于 MATLAB，设计实现并验证了基于 FPGA 的数字滤波器，得到了较好的滤波效果。关键词：FPGA，数字滤波器，FIR，MATLAB，MODELSIM，低通；IIAbstractCurrently, the digital filter plays an important part in the field of electronic applications and digi
3、tal signal processing technology. And it has increasingly shown the great value in application. Based on a large number of experiments about domestic and foreign technical literature, firstly, the paper analyzes the significance of research, status of the digital filters and field-programmable gate
4、array research. Secondly, it introduces the related knowledge of FPGA and Verilog programming language. Last but not least, it summarizes the knowledge of the FIR digital filters theory. On this basis, it proposes a FPGA-based digital filter and simulates by MATLAB. The paper further points the feat
5、ures, the principle and the specific design process to project digital filter.In the environment of Xilinx ISE v7.1, the experiment by means of MATLAB designs and achieves the FPGA-based digital filter. Finally, the filter obtains a better filtering effect.Keywords: FPGA, digital filter, FIR, MATLAB
6、, lowpassIII目 录第 1 章 绪论.11.1 国际研究现状.11.2 课题研究意义.21.3 FPGA 与 FIR 数字滤波器的关联 .21.4 本章小结.3第 2 章 数字滤波器的基础知识.32.1 滤波器概述.32.2 数字滤波器的分类.42.3 数字滤波器的特征参数.62.4 本章小结.6第 3 章 设计语言及 FPGA 介绍 .73.1 VHDL 语言简介 .73.2 FPGA 基本知识 .73.2.1 FPGA 的基本概念及发展历程 .73.2.2 FPGA 的结构和工作原理 .83.2.3 IP 核的概念 .83.3FPGA 开发工具及设计流程 .93.3.1 ISE
7、开发套件.93.3.2 FPGA 设计流程 .103.5 有限字长效应.113.5.1 字长效应的产生因素.113.5.2 滤波器系数的字长效应.113.6 本章小结.12第 4 章 数字滤波器的设计与仿真.124.1 FIR 数字滤波器的理论基础 .134.1.1FIR 滤波器的原理 .134.1.2FIR 滤波器的特性 .134.1.3FIR 滤波器的结构形式 .144.2 用 MATLAB 设计数字滤波器系数 .154.2.1FDATOOL 工具简介 .154.2.2 采用 FDATOOL 工具设计数字滤波器过程 .16IV4.2.3 采用编程方法调用 MATLAB 中滤波器设计滤波器系
8、数（本论文设计时主要用此方式）.224.3FIR 数字滤波器的 MATLAB 仿真结果 .244.4 本章小结.25第 5 章 数字滤波器的 FPGA 设计与实现 .265.1 基于 Xilinx 的 FPGA 实现 FIR 滤波器相关基础操作 .265.1.1 FPGA 工程建立 .265.1.2FPGA 方案设计 .275.2 FIR 滤波器的主体程序编写 .275.2.1 主体结构程序.285.2.2 生成加法器与乘法器模块.295.3 测试激励文件编写.315.3.1 测试激励文件简介.315.3.2 测试激励文件在设计中的作用.315.4 Modelsim 对程序时序仿真 .315.
9、4.1 Modelsim 简介 .315.4.2 Modelsim 进行仿真过程 .325.5 MATLAB 检验设计结果 .32结 论.35参 考 文 献.36致 谢.37附录.1基于 FPGA 开发板的数字滤波器1基于 FPGA 开发板的数字滤波器第 1 章 绪论数字滤波器（Digital Filter）的出现是在 1960 年至 1970 年之间，广泛的定义是通过对数字信号的运算处理，完成滤波作用的算法或装置 1。随着电子计算机技术及大规模集成电路技术的大力发展，可用计算机软件实现数字滤波器，亦可用大规模集成数字硬件来实现。数字滤波器广泛的应用于图像信号处理、语音信号处理、医学信号处理及
10、其他应用领域 1。现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）因其良好的并行运算能力、可重置性、可扩展性能，已经成为现代电子通信产品中不可或缺的组成部分，尤其在数字滤波器设计等数字信号处理领域中得到十分广泛的应用 1。1.1 国际研究现状数字滤波器具有许多优势，它的准确率理想，可用在各种场合进行功能实现的重要一步，并且滤波后得出的输出信号的稳定性良好。比较于模拟的滤波器而言，数字滤波器的好多优点都是独有的，在模拟装置中不具备的。现如今，我们在各个信息科学技术方面都会发现数字滤波器的身影，比如数字 TV、话音滤噪、电讯、活体工程医药学等多种多样的科学技
11、术领域，滤波器都发挥着不可或缺的作用 2。1940 年至 1950 年期间，就有学者进行数字滤波器是否可实现的研究，在 1950 年至 1960 年研究热潮更加高涨，甚至是经常有专家在对数字滤波的课题进行公开的研究与探讨，进行研究生与博士生的教育。直到上世纪60 年代中期，美国科学家库里总结了前人的研究成果，经过长期研究后，设置出了完整的数字滤波器理论 2。在这个时代，各种各样的数字滤波原理和结构特点，已被提出，各种数字滤波器的逼近法与手段也被推出，实现了递归和非递归滤波器全面的比较和分析 2。通过有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）的转换过程，进一步了解数字滤波器 2。在快速快速傅
12、立叶变换（FFT ）的概念提出之后，时域和频域的数字滤波器设计方法也应运而生 2。随着国内科学技术的飞速发展，也有不少专家学者开展深入研究数字滤波器的领域，无论是在学术或工程技术方面都获得了很多的学术成果 2。FPGA 在电子科学设计的地位在十分短暂的几十年时光里就从“板凳位置”基于 FPGA 开发板的数字滤波器2一跃成为数字工程中的核心 3。在很多运用中，把 FPGA 作为核心运行单元，这些运用例如电子经济、交通电子、像素处理、军事科技、Internet、大型计算和 WLAN。从现在趋势来看，现场可编程阵列芯片正在朝着以下的标准展望，来适应未来更高性能的信号系统要求：(1) 逻辑门阵列的个数
13、逐渐增多，工作速率逐渐提升；(2) 现场可编程门阵列器件的密度得到提高。密度的提高会使得更多的逻辑资源和更高的运行速度成为可能；(3) 新一代现场可编程门阵列的前进目标为达到在单个的器件上来实现整个系统。1.2 课题研究意义现今，数字信号工程在通信工程、智能操控、无线电雷达、射频工程、电讯器件和电脑处理器和许多的科技领域都起着重要的作用，给电子信息技术带来翻天覆地的变化。数字滤波技术从其重要性以及应用广泛的程度来看，都在数字信号处理中首屈一指，对于数字滤波进行通俗的理解就是指在输入和输出都是由数码构成的数字信号时，通过进行计算对输入的信号的混合频率的比例形成改变或者滤除掉需求外的频率部分的处理
14、设备 4。在各种形式的信息技术处理领域，比如对信息进行的滤除、审查、估计和许多其他的功能上都会广泛地采用滤波器，在其中，数字滤波器由于其具有的明显优势作为滤波器中应用的首选 4。在数字信号处理的研究与设计过程中，滤波器是作用及其重要，工程师必须掌握，应用范围最为广泛的组成部分之一。现如今，信息科学领域与微电子器件的迅猛进步导致数字滤波器在互联网和技术支持角度的地位越来越凸显 4。1980 年至 1990 年之间是 FPGA 的诞生期，它的概念是由 Xilinx 集团在美国优先提出的 4。在信息科技的大力发展期，FPGA 于架构、速率、制作、综合集成大小和功效作用等方面尽皆取得了巨大的进步 5。
15、FPGA 作为一种可编程的数字集成电路，具有开发时间短，种类多、精确度好和机密性好等优点，故而在各个方面都有应用 5。除此之外，FPGA 应用范围的持续增加和半导体器件生产技术的持续进步，都推动 FPGA 迅猛发展 5。相比于常规的结构化ASIC，FPGA 不能使电路结构小型化，损耗小，稳定性好，而且其开发时间短，开发资金要求低，芯片成本降低，促使 FPGA 的市场份额比重越来越高 5。先进的工艺，嵌入方式的处理核，以及越来越多的功能模块都同一到FPGA，FPGA 的应用领域变得愈发广泛 5。基于 FPGA 开发板的数字滤波器31.3 FPGA 与 FIR 数字滤波器的关联FIR 滤波器大量应
16、用于不同类型的 DSP 系统中完成卷积、相关、自适应滤波、正交插值等处理,对于不是实时的系统和速率较低的采样系统, 可以使用CPU 或 DSP 处理器上的软件来完成 FIR 滤波器的运行计算 6。然而在无线通信、雷达以及工业操控以及话音信号处理等实时的应用方面，因为 FIR 运行计算量太多，使用 DSP 软件可能不能完成,所以使用可编程器件是最优良的办法 6。现在 FIR 滤波器主要有以下几种方式完成：采用单片数字滤波集成电路、使用 DSP 器件、使用 FPGA 器件 6。相较于以上三种方法来说，单片数字滤波集成电路的方法，使用较为简易，但因为字长和阶数的规制不多，不能完美实现实际需求 6。虽
17、然能够使用多片扩展来实现，但会增大空间和损耗，所以在实际中存在一定的局限性；但是对于使用 DSP 器件完成来说，因为有特定的函数可供使用，所以使用 DSP 器件进行 FIR 滤波器的设计要更加简便，也是最常用的设计方式 6。其仅有的不足是程序顺序执行，尽管 DSP 器件质量不断提升，但在一些实时性需求特别高的地方中存在局限性；使用可编程逻辑器件来完成是最为完美的，由于可编程逻辑器件的存储量和速率的不断提升，实现单片系统集成的可能性正不断提高 6。使用可编程逻辑器件来完成 FIR 滤波器，因为实现的是硬件并行算法，所以非常适用于一些实时性需求大的地方 6。1.4 本章小结本章阐述了数字滤波器的发
18、展与应用，简要说明了 FPGA 的作用和与数字滤波器设计的关系。在认识了数字滤波器和 FPGA 的优点与前沿性之后，简要说明了世界上数字滤波器和 FPGA 的发展历史和发展过程，介绍了课题的实际意义，最后在阐述并对比了数字滤波器的集中设计方法后，认识了 FPGA 与FIR 滤波器的关系，也知道了使用 FPGA 设计数字滤波器的目的与作用。基于 FPGA 开发板的数字滤波器4第 2 章 数字滤波器的基础知识2.1 滤波器概述滤波器的作用是对信号的噪声干扰进行消减或去除的电子装置，它的功能具体体现在将输入的模拟或者数字信号进行过滤处理，进而得到目的所要求的信号。滤波器大部分的应用方法是对预先设定的
19、频率的频点或者出了设定频点的其他频点的频率信号滤掉，从而消除噪声干扰。消除之后并获取某特定频率信号处理的电器件统称为滤波器 7。滤波器可分为两类。他们分别是模拟滤波器和数字滤波器两类。从过去的思考如何应用滤波器之后，由于电子科学技术的迅猛发展，数字信号处理技术得以进一步成熟与完善，因而数字滤波器也被更多项目领域发现其价值，数字滤波器的运用范围也进入了更广大的空间 8。总体来说，数字滤波器更加具有优势，它与模拟滤波器相比较之下所多具备的特征如下：数字滤波器当在非连续的时间系统处理信号时，会对信号限带、抽样和 A/D 转换;通过数字计算装置，进行滤波，模拟滤波器是通过容阻抗等物理的其他工具实现滤波
20、；数字滤波器的大多数具有实用价值的性能指标例如稳定度、准确性、信噪比等等都要超过模拟滤波器的滤波成果。2.2 数字滤波器的分类数字滤波器有繁多的种类，从功能、设计、实现方法的角度都可以区分数字滤波器的不同，因为从不同的角度来说数字滤波器的名称都会产生区别，工程师应该理解不同的角度对滤波器分类的原理 8。本文举例讲述两种分类方法，也是应用最为广泛的分类：将滤波器分成经典滤波器和现代滤波器 7。经典滤波器假设信号的输入 x(n)中包含的合成信号中的目标信号与噪声信号分别处于不相同的频点上，合成的输入信号经过经典滤波器后将除了目标信号以外的噪声信号进行滤除，经典滤波器的缺点在于如果噪声的任意频点在目
21、标信号上的话，那么该频点的噪声就不会被滤除，对结果造成影响 9。经典滤波器主要分为低通滤波器（Low Pass Filter，LPF ） 、高通滤波器（High Pass Filter， HPF） 、带通滤波器（ Band Pass Filter，BPF） 、带阻滤波器（Band Stop Filter， BSF）以及全通滤波器（All Pass Filter，APF）等 7。如图 2-1， 是归一化的幅频特性响应值， 为数字角频率。数字滤jHe波器的幅频特性相对于对称 ，它的周期是 2 9。基于 FPGA 开发板的数字滤波器5图 2-1 各种理想数字滤波器的幅度频率响应现代滤波器理论研究的主
22、要内容是从混有噪声的信号中估计出信号的某些特征或信息本身 9。只要信号被估算出，则估算出的信号将比原信号有更高的SNR9。现代滤波器将有用信号和噪声都视作随机信号，并根据它们的统计特性求解出一种效果最好的估计方法，然后以硬件或软件的方法来具体实现。现代滤波器分类上主要有卡尔曼滤波器、线性预测器、维纳滤波器、自适应滤波器等 9。从实现的网络结构来看，数字滤波器的类别主要有两种，分别是无限冲激响应（Infinite Impulse Response，IIR）滤波器和有限脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，它们的根本区别在于系统函数 12。（2.1）MiizaH0（2.2）Niiiizbz10无限冲激响应滤波器与有限脉冲响应滤波器具有不同的实现方法与特征是由系统函数决定的。无限冲激响应滤波器存在输出信号对输入信号的反馈作用；而有限脉冲响应滤波器则没有输出对输入的反馈结构。无限冲激响应滤波器对相位的要求较为严格，而有限脉冲响应滤波器却没法实现线性相位，并且频率
