基于FPGA的FIR滤波器设计.doc

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长春理工大学毕业设计

摘要

在现代电子系统中,FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展，使用FPGA来实现FIR滤波器，既具有实时性，又兼顾了一定的灵活性，越来越多的电子工程师采用FPGA器件来实现FIR滤波器。

本论文对基于FPGA的FIR数字滤波器实现进行了研究，以FIR数字滤波器的基本理论为依据，并且采用查找表以及线性FIR波器的对称性特点使得硬件规模极大的减小。

为了验证仿真结果的正确性，文中应用了MATLAB和VHDL联合仿真方法对设计的电路进行仿真测试，结果达到设计指标。

并用MATLAB对仿真结果进行了分析，证明了所设计的FIR数字滤波器功能正确。

关键词:

有限脉冲响应现场可编程门阵列查找表窗函数仿真

ABSTRACT

Inthemodernelectricalsystem,theFIRdigitalfilterisusedformanypracticalapplicationsforitsgoodlinearphasecharacter,AlongwiththedevelopmentofPLDdeviceandEDAtechnology,moreandmoreelectricalengineersuseFPGAtoimplementFlRfilter,asitnotonlymeetthereal-timerequirement,butalsohassomeflexibility.

Inthispaper,amethodtoimplementtheFIRfilterusingFPGAisproposed.AccordingtothebasictheoryofFIRfilters,thethesisreducesitwiththeuseofmultiplecoefficientmemorybanksandthesymmetrycharacteristicoflinearFIRfilter.Inordertomaketheverificationmoreavailable,thecomplexsimulationwithMatlabandVHDLisusedtotestifythedesignwhetherfulfillstherequirement.AndalsotheresultofthesimulationisanalyzedwiththeuseofMATLAB,anditprovedthatthefunctionofthedesigniscorrect.

KEYWORDS:

FIRFPGAWindowsFunctionSimulation

目录

第一章绪论 1

1.1背景和选题依据 1

1.2国内外研究现状和发展动态 2

1.3论文研究的目的和主要内容 2

第二章FIR滤波器的结构及设计 4

2.1FIR数字滤波器基础 4

2.2FIR数字滤波器的基本结构 5

2.3FIR数字滤波器的设计 7

第三章FPGA在设计中的具体应用 10

3.1硬件电路的设计方式 10

3.2FPGA简介 11

第四章基于FPGA设计FIR滤波器 17

4.1指标的确定 17

4.2Matlab在设计中的应用 17

4.316阶FIR滤波器的结构 20

4.4采用查找表方式的FIR滤波器 23

第五章总结与展望 30

5.1总结 30

5.2发展 30

参考文献 31

致谢 32

-I-

第一章绪论

1.1背景和选题依据

本课题的研究背景是针对数字信号处理实验室的需要而开展的工作。

由于信号在复杂的环境中经常受到大量的干扰及噪声的影响，因而设计高性能的FIR滤波器来滤掉这些干扰及噪声起着非常关键的作用。

在数字处理中，滤波占有重要的地位。

数字滤波在语音和图像处理、HDTV（High-DefinitionTelevision）、模式识别、谱分析等应用中经常用到。

与模拟滤波相比，数字滤波具有很突出的优点。

例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。

根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性，可将数字滤波器分为无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器两种。

由于FIR系统只有零点、系统稳定，便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用[1]。

FPGA（FieldProgramGateArray）是可编程逻辑器件中一种比较复杂的形式，它正处于革命性数字信号处理的前沿。

全新的FPGA系列正在越来越多的替代ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）和PDSP（ProgrammableDigitalsignalprocessors）用作前端数字信号处理的运算。

FPGA具有许多与ASIC相同的特点。

例如:

在规模、重量和功耗等方面都有所降低。

而且吞吐量更高、能更好的防止未授权复制、元器件和开发成本的进一步降低，开发时间也大大缩短。

还具有在线路中可重复编程的特性。

它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直至达到预期的效果，从而可以产生更为经济的设计。

更吸引人的是，采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品。

正如我们现在所看到的，随着FPGA在数字信号处理中的大规模应用，正在日渐深入地影响我们的生产和生活，也必将在这领域引起深刻的变革。

在本课题的研究中，采用超大规模集成电路硬件描述语言（VHDL）对设计进行描述。

在程序设计的过程中，将不同功能代码分别存放，以利于设计的后期更新和维护。

可以使用LeonardoSpectrum或FPGAExpress对设计进行综合处理，将产生的.edf文件放在MaxplusII平台上进行仿真，如果仿真通过并符合要求，就可以将代码下载到具体的芯片中，完成FIR滤波器的设计[2]。

1.2国内外研究现状和发展动态

在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。

尽管滤波技术的发展到现在只有七十多年的历史，但它的发生与发展已经历了诸多变化，作为一种信号处理的技术已相当完善，并不断发挥着其重要的作用。

长期以来，人们不断地探索滤波器的设计与实现方法，努力地追求着简化设计、减少体积、改善性能、提高灵活性和可靠性、便于制作等问题。

随着微电子学迅速发展，以单个芯片进行FIR滤波器的设计正在发展和应用中。

如今FIR滤波器的硬件设计有多种实现方法。

第一种是采用单片机来实现，但单片机的处理速度比较慢。

第二种是采用专用的DSP芯片，但是DSP的串行指令执行发式，使其工作速度和效率大打折扣，因此当滤波器的系数增加或字长增长时，计算时间会成倍增加，从而降低了最大有效数据采样率。

而且在一些高速的应用中，系统性能不断增长，而DSP性能的提高却落后于需求的增长。

第三种是采用市场上通用的FIR滤波器集成电路，但由于它的通用性，很难满足设计者独特的要求。

第四种是采用可编程逻辑器件（PLD）的方法来实现。

可编程逻辑器件在电子技术领域中的应用，为数字硬件电路系统的设计带来了极大的灵活性。

由于可编程逻辑器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字硬件电路系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。

纵观可编程逻辑器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。

自从1989年美国Xilinx公司率先发明FPGA（现场可编程门阵列）的概念以来，FPGA技术以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系统单片化的应用优势，随着亚微米CMOS集成电路制作技术的成熟和发展，器件集成度不断增大，器件价格不断下降的趋势，逐渐受到各国电子系统应用领城的设计工程师的广泛关注和欢迎。

时至今口，FPGA技术不再是ASIC技术领域的一个点缀和补充，而跃为电子应用（包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC设计）等诸多领域受欢迎的实用技术，成为数字系统科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。

1.3论文研究的目的和主要内容

本文研究的主要目的是为数字信号处理实验室设计出性能指标优良的滤波器，使其在复杂的环境中快速过滤掉无用信号及噪声。

并根据此目的进行进一步的研究及拓展。

为了确定使用的方法在设计FIR滤波器上是有效并且是高效的，因此在本文中对比了两种不同的FIR滤波器的设计方法，通过对比得知，采用查找表的FIR滤波器无论在速度上和所占用的资源上均优于普通的设计方式，因此可以确定采用查找表来设计FIR滤波器占有优势。

本文主要内容分为五部分:

第一章简要介绍背景、选题以及文章的概要；

第二章对FIR滤波器的原理，尤其是线性相位的FIR滤波器进行了详细的说明；

第三章对FPGA进行了介绍，并具体说明在设计中用到的数字及部件在设计中是如何实现的；

第四章进行具体的设计论述，详细说明了每一步是如何进行并给出了对比结果；

第五章对全文进行了总结并指出本设计的发展方向。

-32-

第二章FIR滤波器的结构及设计

数字滤波器通常都是应用于修正或改变时域或频域中信号的属性。

最为普通的数字滤波器就是线性时间不变量（lineartime-invariant,LTI）滤波器。

LTI与其输入信号之间相互作用，经过一个称为线性卷积的过程。

表示为y=fx,其中f是滤波器的脉冲响应，x是输入信号，而y是卷积输出。

线性卷积过程的正式定义如下:

LTI数字滤波器通常分成有限脉冲响应（finiteimpulseresponse，也就是FIR）和无限脉冲响应（infiniteimpulseresponse，也就是IIR）[3]两大类。

顾名思义,FIR滤波器由有限个采样值组成，将上述卷积的数量降低到在每个采用时刻为有限个。

而IIR滤波器需要执行无限数量次卷积。

研究数字滤波器的动机就在于它们正日益成为一种主要的DSP操作。

数字滤波器正在迅速的代替传统的模拟滤波器，后者是利用RLC元器件和运算放大器实现的。

模拟原型设计只能应用在IIR设计之中，而F1R通常采用直接的计算机规范和算法进行分析的。

2.1FIR数字滤波器基础

数字滤波器（DF）是个离散系统，它所处理的对象是用序列表示离散信号或数字信号。

DF的因果离散系统函数可表示成:

（2-1）

其常系数线性差分方程为:

（2-2）

可以看出，数字滤波器是把输入和之前输出的序列经过一定的运算变换成输出的序列。

大多数普通的数字滤波器都是LTI滤波器，对于FIR系统，其系统函数仅有零点（除Z=0的极点外），因此FIR系统的差分方程可以表示为:

（2-3）

转移函数为：

（2-4）

由（2-3）式可知，系统的脉冲响应是因果序列，因为其输出仅与即时输入以及过去的输