1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 SIMULINK 的数字滤波器 IP 核设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 1 摘 要 随着信息与数字技术的发展，数字信号处理已成为当今极其重要的科学与技术领域之一，它在通信、语言、图像、自动 控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到广泛地应用。 IP 核是具有知识产权的集成电路芯片的简称，其作用是把一组具有知识产权的电路设计集合在一起，构成芯片的基本单元，以便供于设计时调用。通过将数字滤波器电路集合在一起，构成数字滤波器 IP 核，使其得到更广泛应用。 本 设 计 采用 模
2、 块化 设 计技 术 实现 数 字滤 波 器的 IP 核 设计 。 在MATLAB/SIMULINK 的 DSP Builder 设计平台下，通过建模方式设计一个 16 阶低通数字滤波器，其截止频率 Fc 为 10.8KHZ，采样频率 Fs 为 48KHZ，输入序列位宽为 9 位（最高位为符号位）。根据设计流程，首先在 SIMULINK 搭建模块，调用 DSP Builder 库元件，构成模型，通过 SIMULINK 自带的仿真功能，得到正确的波形；然后在 Altera 公司主页上下载 FIR Compiler 软件，并成功安装，通过该软件实现电路模型到 IP 核的转换过程。 本设计根据 FI
3、R 数字滤波器的原理，成功搭建了数字滤波器的模型，通过仿真验 证了设计的正确性。应用 FIR 滤波器 IP 核来设计 FIR 滤波器具设计有周期短，占用 FPGA 逻辑资源少，其运算速度快的特点，能提高 FPGA 的集成度。但前提是必须有 ALTERA公司授权的 LICENSE，因此对工程应用来说是个限制。论文还记录和整理了在设计中出现的问题，并给出笔者的分析。 关键词： 数字滤波器 ; IP 核 ;DSP Builder; SIMULINK - 2 - 2 Abstract With the development of information and digital technologie
4、s, digital signal processing has become extremely important areas of science and technology, it has been widely used in communication, language, image, automatic control, radar, military, aerospace, medical and household appliances, and other fields . IP core is the integrated circuit chip which has
5、 a short intellectual property, its role is to put a group of intellectual property circuit design together, constitute the basic unit of the chip, so called for in the design. By bringing together the digital filter circuit to form digital filter IP core, its wider application. The design is modula
6、r in design technology to realize the digital filter IP core design. In DSP Builder of MATLAB / SIMULINK design platform, through the modeling approach to design a 16-order low pass digital filter, the cutoff frequency of 10.8KHZ, sampling frequency 48KHZ, for the 9-bit wide input sequence (the high
7、est bit is the sign bit .) According to the design process, the first module in SIMULINK Dajian, called DSP Builder library components, constitutes a model, built by SIMULINK simulation function, get the correct waveform; then the design of FIR digital filters based on the principle of the digital f
8、ilter successfully built the model, the simulation shows the correctness of the design. Application of FIR filter IP core to design a FIR filter design cycle is short, taking less FPGA logic resources, the characteristics of its operation speed, can improve the FPGA integration. But only if authoriz
9、ed by the company must have ALTERA LICENSE, and therefore is a limit for engineering applications. The paper also records and sorted out the problems in the design, and presents the author to analysis. Keywords: FIR filter;IP core; DSP Builder; SIMULINK - 3 - 3 目 录 1 引言 .1 1.1 课题背景和意义 .1 1.2 论文的内容与组
10、织结构 .1 2 滤波器的基本概念 .3 2. 1 滤波器的原理 .3 2.2 滤波器的技术指标 .3 2.3 滤波器的分类 .4 2.4 数字滤波器设计的基本步骤 .5 2.5 FIR 滤波器的特点 .5 2.6 FIR 网络结构 .6 2.6.1 直接型 .6 2.6.2 级联型与线性相位结构 .6 2.6.3 频率采样结构 .7 3 FIR 滤波器设计 .9 3.1 FIR 滤波器设计原理 .9 3.2 FIR 滤波器实现方法 .9 3.2.1 FIR 滤波器实现的方法 .9 3.2.2 各种设计方案特点 . 15 4 基于 DSP Builder 的 FIR 数字滤波器设计 . 17
11、4.1 基于 DSP Builder 的 FIR 建模 . 17 4.2 利用 FDAtool 工具计算 h0-h16 参数 . 18 4.3 基于 DSP Builder 的系统仿真 . 20 5 FIR 滤波器 IP 核转换 . 22 5.1 DSP Builder 模型转化成 VHDL 文件 . 22 5.2 VHDL 文件转换成 IP 核 . 23 6 设计总结 . 25 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 - 1 - -1- 1 引言 1.1 课题背景和意义 模拟滤波器和数字滤波器的设计对工程，应用数学及计算机科学都是非常重要的。对设计人员来说，滤波器是控制，信号处
12、理和通信领域重要的组成部分。 在数字信号处理中，数字滤波器是其基本处理方法之一，占有极其重要的地位。数字滤波器是指输入输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤除某些频率成分的数字器件或程序 1。数字滤波器按单位脉冲响应 的长度分类可分有限脉冲响应滤波器和无限脉冲响应滤波器。两者各有优缺点： IIR 滤波器能以相对比较低的阶数获得相同幅度的滤波性能，但是其非线性； FIR 滤波器脉冲为有限长，系统稳定，呈且严格的线性相位，故在图像处理，数据传输中得到广泛的应用。 IP 核 (intelltual Property core)是一段具有特定电路功能的硬件描述语言
13、程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片 2。 目前，高速 FIR 滤波器的实现方法通常采用设计优化好的 FIR 滤波器的 IP核。用户使用这种 IP 核 。根据实际需要进行简单的开发即可。虽然这种方法比较简单，但是需要得到 IP 核才能进行，因此本文给出了基于 MATLAB 的数字滤波器 IP 核的实现流程。 1.2 论文的内容与组织结构 本次论文主要做了以下工作： 1.熟悉 DSP Builder 平台，熟悉基于 DSP Builder 的一般设计操作流程； 2.了解与熟悉 FIR 数字滤波器原理，查阅相关的基于 MATLAB 实现的 FIR 数字滤波
14、器的原理，掌握基于 MATLAB/SIMULINK 的数字滤波器设计过程； 3.利用 MATLAB/SIMULINK 的 FDA Tool 工具，计算 满足技术指标的 FIR 滤波器相关参数，对所有的抽头系数进行 512 倍的放大并量化； - 2 - -2- 4.完成基于 DSP Builder 的 FIR 数字滤波器设计，并将建立好的图形模块进行仿真编译，观察波形，分析验证器正确性； 5.查阅 IP 核转换原理和流程，在 ATLER 公司官方主页下载所需工具 FIR Compiler，对已经通过仿真编译的 FIR 滤波器模型进行转换生成可用于工业用途的数字滤波器 IP 核 ； 6.对设计与调
15、试过程中出现的问题进行整理和分析。 本文一共有六章，第一章为引言，简述了本课题的相关背景和论文的组织结构；第二章介绍了 FIR 数字滤波器原理；第三章为 FIR 数字滤波器的设计；第四章为论文的重点，详细阐述基于 DSP Builder 的 FIR 滤波器建模的系统设计和仿真调试；第五章介绍 FIR 滤波器模型转换为 IP 核；第六章简述了设计过程中遇到的困难和解决过程。 - 3 - -3- 2 滤波器的基本概念 2. 1 滤波器的原理 滤波器用于以给定的要求对信号频谱进行修改或整形。通常情况下，大多数滤波器的功能是对需要的信号与不需要的噪音进行分离。信号或噪声一般根据其在频段内的频率成分或信
16、号的能量进行描述。滤波器的技术指标一般是指频域内的幅频响应，增益或衰减。 滤波器指的是用来对输入信号进行滤波的硬件或软件 1。一个输入和输出都为离散信号的滤波器其冲击响应必然为离散，该滤波器定义为数字滤波器。数字滤波器的系统函数表示为： zX zYzazbzH NkkiMii1011（ 2-1） 由函数可得，数字滤波器的功能是把输入信号 nX 通过一定的运算得到输出信号 zY 。 根据设计要求，就可以确定滤波器的技术指标。滤波器的设计一般是冲技术指标开始的，滤波器的实现过程包括四个步骤 2： (1)函数逼近 (2)电路实现 (3)缺陷研究 (4)产品实现 函数逼近：产生满足理想技术指标的转移函
17、数。 电路实现：将滤波器的转移函数转换为数字滤波器网络。 缺陷研究：对于各种非理想因素队滤波器设计的影响。 产品实现：通过使用硬件或软件构件滤波器的原型。 2.2 滤波器的技术指标 - 4 - -4- 滤波器的技术指标可以用以下几个方式来表示 2： 1.幅度范围：通带的最小幅度 pM 和阻带的最大幅度 xM 。 2.幅度容限值：指定通带幅度减小的最大值 pp M1 和阻带幅度的最大值 xxM 。 3.幅度纹波容限：描述通带内幅度变化最大量 1 和阻带内幅度变化最大量 2 。 4.衰减范围：其用 db 表示，指定通带内幅度变化最大衰减 pA 和阻带被的最小衰减 xA 。 5.增益范围：其用 db
18、 表示，指定通带内最小增益 pP AG 和阻带内最大增益xx AG 。 低通滤波器的技术指标： 1jweH ， 3.00 w ； 0jweH ， w3.0 。 2.3 滤波器的分类 滤波器的种类有很多种，分类方法也不同。例如按照功能分类，按照实现方法分类，或从设计方法上来分类等等。滤波器功能上大致可分为四大类，即高通，低通，带通，带阻滤波器，而且每一种滤波器又分为模拟滤波器和数字滤波器两种形式。 从数字滤波器单位冲击信号来分，可分为有限冲击响应 (FIR)滤波器和无限冲击响应 (IIR)滤波器 3。 IIR 滤波器系统的极点可以在单位圆内的任何地方，因此可以用较低的阶数获得更高的选择性，所用的
19、存储单元少，经济而效率高。但是由于极点位于单位圆中的任何地方 ，其稳定性就相对要差，同时 IIR 滤波器是非线性的。 与 IIR 滤波器相反的 FIR 滤波器符合严格的线性相位，但是由于其极点是固定的，所以必须使用较高的阶数来实现其高选择性。对于同样性能的 FIR 滤波器和 IIR 滤波器来说， FIR 滤波器的阶数要比 IIR 滤波器多出 5 至 10 倍，因此其成本较高 1。由于阶数较多，延时也比 IIR 滤波器大。但是如果要求相同的线性相位，则 IIR 滤波器必须加个全通网络进行相位校正，因此要增加滤波器- 5 - -5- 的网络节数和复杂性。 2.4 数字滤波器设计的基本步骤 (1)确
20、定指标 在设计一个滤波器之前 ，必须根据要求确定滤波器的技术指标。在本设计中已经给出了其指标为：设计一个 16 阶低通 FIR 滤波器，其采样频率 SF 为48khz，信号的截止频率 Fc 为 10. 8 kHz , 信号的位宽为 9 位，其中最高位为符号位。 (2)模型逼近 确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型，本设计中利用 DSP BUILDER 平台建立数学模型，设计出来的滤波器必须无限逼近与给定的目标。 (3)性能分析和计算机仿真 根据上述两步的结果得到滤波器，并且对这个滤波器分析其频谱特性和相位特性，验证该设计结果是否满足指标要求。由于该滤波器本设计中是用软件来实现的
21、，则它只是一段线性卷积程序。软件实现的优点是：系统函数具有可变性，仅信赖与算法机构，并且易于获得较理想的滤波性能。 2.5 FIR 滤波器的特点 FIR 滤波器是具有有限单位冲击响应的滤波器，在结构上是线性，非递归的，其有以下几个优点 4： (1)可以在随意设计幅度的前提下保证精确和严格的线性。 (2)由于其脉冲序列有限长，所以 FIR 滤波器没有不稳定的情况。 (3)由于其是非递归机构，所以在有限精度下，不会出现递归结构中的不稳定问题。 FIR 滤波器的缺点在于：对于同样性能的 FIR 滤波器和 IIR 滤波器来说，FIR 滤波器的阶数要比 IIR 滤波器多出 5 至 10 倍，因此其成本较
22、高，同时信号延时较大 2。 - 6 - -6- 2.6 FIR 网络结构 2.6.1 直接型 FIR 滤波器有直接型、级联型和频率抽样型三种基本结构，其中直接型是最常见的结构。由于本次设计的是直接型滤波器，所以只对直接型结构做讨论。 图 2-1 直联型结构 沿着这条链路每一个抽头的信号被适当的脉冲响应加权，然 后将所得乘积相加得到输出 nY 。 2.6.2 级联型与线性相位结构 图 2-2 级联型结构框图 上图显示，将 zH 进行因式分解，并将共轭成对的零点放在一起，形成一个系数为实数的二阶形式，这样级联型网络就是由一阶或二阶因子构成的，其中诶一个因式都用直接型实现。 线性相位结构是 FIR 系统的直接型结构的简化网络结构，其特点是网络具有线性相位特性，比直接型 结构节约了近半的乘法器。结构如下 :
