毕业设计论文基于FPGA的CIC滤波器设计.docx
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毕业设计论文基于FPGA的CIC滤波器设计
毕业设计（论文）基于FPGA的CIC滤波器设计
西安邮电学院
毕业设计（论文）
题目：
学院：
系部：
专业：
班级：
学生姓名：
导师姓名：
起止时间：
毕业设计（论文）诚信声明书
本人声明：
本人所提交的毕业论文《基于FPGA的CIC滤波器设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。
论文作者签名：
时间：
年月日
指导教师签名：
时间：
年月日
西安邮电学院
毕业设计论文任务书
学生姓名奚董超指导教师高敏职称讲师学院电子工程学院系部微电子系专业集成电路设计与集成系统题目基于FPGA的CIC滤波器设计任务与要求
本课题要求学生完成的工作、题目预期目标主要有：
1、用VHDL或VerilogHDL语言的CIC滤波器方案设计。
2、用VHDL或VerilogHDL语言实现可编程并行接口电路。
3、在仿真软件平台上仿真实现CIC滤波器并对滤波器性能进行分析。
4、撰写毕业论文。
开始日期2011年3月28日完成日期2011年7月1日主管院长签字年月日
西安邮电学院
毕业设计论文工作计划
学生姓名奚董超指导教师高敏职称讲师学院电子工程学院系部微电子系专业集成电路设计与集成系统题目基于FPGA的CIC滤波器设计工作进程起止时间工作内容2011.3.28-2011.4.10了解CIC滤波器的基本概念、分类、原理及应用.2011.4.11-2011.4.24熟悉QUARTUSII软件开发平台2011.4.25-2011.5.8建立滤波器模型2011.5.9-2011.5.22研究模型参数,编写代码2011.5.23-2011.6.5对程序进行仿真和修改2011.6.6-2011.6.19撰写论文2011.6.20-2011.7.1修改论文，准备答辩
主要参考书目（资料）
[1]杨刚龙海燕.《现代电子技术--VHDL与数字系统设计》.电子工业出版社
[2]侯伯亨.《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》.西安电子科技大学出版社
[3]近年的文献资料
[4]曾繁泰.《VHDL程序设计》，清华大学出版社
主要仪器设备及材料
1、可以上网的电脑一台；
2、打印机一台，打印纸若干。
论文（设计）过程中教师的指导安排
每周至少和指导学生见面一次，了解学生在论文过程中的进度和所遇到的问题，及时协助学生解决困难，督促学生按照进度准时完成毕业论文。
对计划的说明
无
西安邮电学院
毕业设计论文开题报告
电子工程学院微电子系（部）
集成电路专业07级03班
课题名称：
基于FPGA的CIC滤波器设计
学生姓名：
奚董超学号：
04076092
指导教师：
高敏
报告日期：
2010年3月25日
1．本课题所涉及的问题及应用现状综述
在数字处理领域，滤波器占据了重要的地位。
数字滤波器在语音和图像中的处理被经常用到。
数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、质量灵活、不要求阻抗匹配等优点。
CIC滤波器是现代数字上变频的核心技术，具有简单高效的结构。
CIC滤波器又称为简单整系数梳状滤波器，是在高速抽取后插值系统中非常有效的单元，它结构简单，处理速度快，最大的优点是不需要乘法器。
设计中遇到的问题：
1CIC滤波器的传输函数的意义；2滤波器的模块划分及各个参数设置；3滤波器的的仿真；4滤波器的的改进方法；5改进后的滤波器与改进前的差异。
随着数字技术的的广泛应用，现场可编程门阵列FPGA得到了迅速的发展，器件集成度和速度都在不断增长。
FPGA既具有门阵列的高集成度和可靠性，又具有可编性，极大限度的降低了设计的成本，缩短了开发的周期。
2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
CIC滤波器由积分器、抽取器和树状滤波器组成，积分器由N个理想的数字滤波器级联组成，梳状滤波器由N个差分延迟的梳状滤波器级联而成。
设计时先设计出一级的CIC滤波器，分析其参数和特性，然后通过需要得出所需的级数，通过模块化的设计完成多级的设计，最后经过仿真分析滤波器的特性，对其进行修改和改进。
根据系统的设计要求，本系统可分为三大部分：
1积分器
2抽取器
3梳状滤波器
3．完成本课题的工作方案
1通过学习，了解CIC滤波器的基本概念、分类、原理及应用，在学习中加深对CIC滤波器的理解，分析其传递函数，将传输函数划分为两块，一块为积分器，一块为梳状滤波器，深刻理解滤波器的时域和频域的变换和对应的逻辑关系。
2学习掌握QUARTUSII软件开发环境，熟练该软件的仿真方法和实现的步骤。
3建立基本的CIC滤波器模型，完成基本滤波器的分析和参数的选择，通过基本滤波器的分析，发现其不足。
4用VerilogHDL语言进行设计，分析其功能特点。
5然后通过级联的方式设计出级联梳状滤波器，分析其各个参数和实现的指标，并完成对其的仿真。
6完成毕业设计论文。
7完成毕业设计答辩。
4．指导教师审阅意见
指导教师签字：
年月日
说明：
本报告必须由承担毕业论文设计课题任务的学生在毕业论文设计正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。
西安邮电学院毕业设计论文成绩评定表
学生姓名奚董超性别男学号04076092专业班级集成电路0703课题名称基于FPGA的CIC滤波器设计课题
类型硬件设计难度难毕业设计（论文）时间2011年3月28日～7月1日指导教师高敏职称讲师课题任务
完成情况论文千字；设计、计算说明书千字；图纸张；
其它含附件：
指导教师意见
分项得分：
开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分
指导教师审阅成绩：
指导教师签字：
年 月 日评
阅
教
师
意见
分项得分：
选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；外文翻译分
评阅成绩：
评阅教师签字：
年 月 日验收小组意见
分项得分：
准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分
验收成绩：
验收教师组长签字：
年 月 日
答
辩
小组
意
见
分项得分：
准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分
答辩成绩：
答辩小组组长签字：
年月日成绩计算方法
填写本院系实用比例指导教师成绩20％评阅成绩30％验收成绩20％答辩成绩30％学生实得成绩百分制指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评答辩委员会意见
毕业论文设计总评成绩等级：
院答辩委员会主任签字：
学院签章
年月日备
注
西安邮电学院毕业论文设计成绩评定表续表
目录
目录I
摘要II
AbstractIII
1引言1
1.1课题研究的背景1
1.2本文的主要工作及结构安排2
2数字滤波器3
2.1滤波器3
2.2数字滤波的原理3
2.3滤波器的分类5
2．4数字滤波器的分析6
2.4.1IIR滤波器7
2.4.2FIR滤波器8
2.4.3CIC滤波器9
3 FPGA的应用13
3.1FPGA介绍13
3.2QuartusII和Modelsim的介绍13
3.3FPGA的设计流程14
4CIC滤波器的FPGA实现17
4.1CIC滤波器参数17
4.2在Matlab下CIC滤波器功能仿真20
4.3CIC滤波器功能模块的实现21
4.4CIC滤波器的仿真分析22
结论24
致谢25
参考文献26
摘要
随着科学技术的不断发展，数字信号处理的应用领域变得越来越广泛，数字信号处理不断的朝着低电压，低功耗、高速率、高分辨率的方向发展。
数字信号处理的目的是对真实世界的模拟信号进行测量。
因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。
而数字信号处理的输出经常也要变换模拟，这是通过数模转换器实现的。
数字信号处理的算法计算机或专用处理设备。
数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,digitalsignalprocessingtechnologyiswidelyappliedinmanykindsoffield,digitalsignalprocessingtechnologyhasbeendevelopingrapidinthedirectionoflowvoltage,lowpower,highspeed,highresolution.Thepurposeofdigitalsignalprocessingismeasuretheanalogsignalintherealworld.sobeforedigitalsignalprocessingweneedtoputasignalfromtheanalogdomainintodigitaldomainbyADC.AnddigitalsignalprocessingoutputoftenwilltransformintoanalogsignalsbyDAC.Digitalsignalprocessingalgorithmismainlydependentonthecomputerandspecialprocessingequipment.ComparedwithAnalogsignalprocessingtechniques,theadvantagesofdigitalsignalprocessingtechnologyisflexible,preciseandanti-jammingofstrong,equipmentofsmallsize,lowcost,speed.
Thetaskofthisarticle:
analysingofthefilter,introducedFIRfilterandIIRfilter,comparewithFIRfilterandIIRfilteranalysistheadvantagesanddisadvantages,introducedCICfilter,selectingtheparametersoftheCICfilterandanalysingitscharacteristics,andultimately,buildingmodel,optimizationandsimulation.
KeyWords：
Digitalsignalprocessing;digitalfilter;CICfilter
1引言
随着电子技术的不断发展，信号处理在各个方面的要求也在不断提高，同时，现代集成电路产业的不断进步，器件尺寸不断缩小，功耗不断降低，速度不断加快。
数字技术扮演的角色越来越重要，原来的一些模拟技术逐渐被数字技术取代。
数字技术同模拟技术相比，具有抗干扰能力强，便于传输，易于存储，精度高等多个优点。
所以，数字技术在现在占据了信号处理的大多数份额。
在数字技术中，滤波器的设计显得非常重要。
这是因为，在信号的处理时，滤波器的功能是消除噪声，抑制带宽。
噪声会使信号在传输中发生失真，影响了信号的真实性，同时在接收端也会带来不便。
凡是信号处理的装置都可以称为滤波器。
在代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛在所有的电子中，使用最多，技术最为复杂的滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来各国所重视。
美国和德国科学家1917年发明次年多路复用系统。
无源滤波器日趋成熟。
60年代起计算机技术集成工艺和材料工业的发展，滤波器朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向，主方向。
RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器80年代，各类新型滤波器的，应用范围逐渐扩大。
90年代至主要各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。
当然，对的研究仍在不断进行。
滤波器我国广泛使用是50年代后期，当时主要用于话路滤波和报路滤波。
经过半个世纪的发展，我国滤波器研制、生产和应用等方面，但由于专门研制机构，集成工艺材料工业，使得我国许多新型滤波器的研制应用与。
滤波器是一种用来消除干扰的器件，将输入或输出过过滤得到纯净。
对特定频率的频点或该频点外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
模数转换采样、保持、量化和编码。
采样在特定的时刻对模拟信号进行测量。
通常采样脉冲的宽度很，采样输出是续的窄脉冲。
要把一个采样信号数字化，需要将采样输出的瞬时模拟信号保持一时间，这就是保持过程。
量化是将连续幅的抽样信号转换离散时间、离散幅的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。
假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗有关。
编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。
这些过程有些是合并的，例如，采样和保持利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。
数字信号处理的核心算法是离散傅立叶变换DFT，DFT运算使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以计算机处理离散信号。
使数字信号处理从理论走向实用是快速傅立叶变换FFT，FFT的出现大大减少了DFT的运算量，使实时的数字信号处理成为可能极大促进了的发展数模转换是将离散的数字转换为连接变化的模拟D/A转换器的内部电路构成大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。
大多数D/A转换器由电阻阵列和n个电流开关或电压开关构成。
按数字输入值切换开关，产生比例的电流或电压。
此外，为了改善精度恒流源放入内部的。
一般来说，由于电流开关切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器按处理信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。
数字滤波器由乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。
功能是对输入离散信号进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。
按采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。
无源滤波器：
仅由无源元件组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
这类滤波器的优点是：
电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：
通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感较大时滤波器的体积和重量都比较大，不适用低频域。
有源滤波器：
由无源元件和有源器件组成。
这类滤波器的优点是：
通带内的信号不没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽；缺点是：
通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性无源滤波器高，不适用高压、高频、大功率的场合。
按通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。
低通滤波器：
信号中的低频或直流分量通过，抑制高频干扰和噪声。
高通滤波器信号中的高频通过，抑制低频直流分量。
带通滤波器：
一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器：
抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。
递归滤波称为反馈滤波。
其输出既依赖于输入及滤波响应函数，又依赖于前的输出。
在滤波过程中，输出在经过延迟后被加到输入端。
与常规的时域滤波相比，递归滤波的优点是量小，计算速度快 （2-1）
是反馈给前一级的系数，是反馈给输出的系数。
图2-3IIR滤波器的直接型网络结构
由图可以看出，IIR网络存在输出对输入的反馈支路，也就是存在环路。
对差分方程进行Z变换，可得，IIR滤波器的系统函数为：
（2-2）
是滤波器的系统函数，和是滤波器的系数。
IIR滤波器的设计就是对和的确定。
IIR滤波器有以下几个特点：
1IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。
2IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上有反馈环路。
IIR滤波器运算结构通常由延时、系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。
由于运算中舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。
3IIR数字滤波器在设计上可以成熟的模拟滤波器，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。
设计IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。
4IIR数字滤波器的相位特性控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。
滤波器的优点：
较容易设计以及实现。
滤波器的缺点：
1脉冲响应为无限长造成当输入数位号为有限长的时候，输出数位号会变成无限长。
2IIR滤波器比不易最佳化。
3系统不一定是稳定的因为转换后所有的极点不一定都在单位圆内。
幅频特性精度很高，相位不是线性的，可以应用于相位信息不敏感的音频信号上；IIR滤波器设计时的阶数不是由设计者指定，而是根据设计者输入的各个滤波器参数（截止频率、通带滤纹、阻带衰减等），由软件出满足这些参数的最低滤波器阶数。
（2-3）
hn是单位长脉冲响应，且长度为N。
图2-4FIR滤波器的直接型网络结构
从图中，可以看出FIR滤波器没有反馈支路，也就是没有环路。
对差分方程进行Z变换可得其传输函数：
（2-4）
是滤波器的系统函数，N为其阶数。
是的多项式，它在z平面上有N-1个零点，原点ｚ＝0是N-1阶重极点，因此是稳定的。
有限长单位冲激响应（FIR）滤波器有以下特点：
1系统的单位冲激响应hn在有限个n值处不为零
2系统函数Hz在|z|0处收敛，极点全部在z0处（因果系统）
3结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。
幅频特性精度低，但是相位线性，就是不同频率分量信号经过滤波器后他们的不变。
的优点：
1脉冲响应为有限长造成当输入号为有限长的时候，输出号也为有限长。
2FIR滤波器比容易最佳化。
3相位线性4一定是稳定的因为转换后所有的极点都在单位圆内。
的缺点设计方式。
另外也有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。
级联积分梳状CIC滤波器是一种被广泛应用于软件无线电中实现抽取或者插值的高效滤波器。
它主要用于降低或提高采样率。
CIC滤波器的主要特点是，仅利用加法器、减法器和寄存器，占用资源少，实现简单且速度高。
（2-5）
表示当前状态的输出，表示上一次的输出，表示当前状态的输入。
由公式可以得出，该积分器可以认为是累加器。
对式2-5作z变换，如下式所示：
（2-6）
令，可以得到积分器的传输函数为：
I：
（2-7）
图2-5积分器的结构图
输入信号为xn，经过加法器与上一次的经过反馈后的结果累加得到新的结果yn输出。
梳状器是对称的FIR滤波器，其状态方程表示为：
（2-8）
是当前状态的输出，是当前状态的输入，是时刻时的输入。
M是延时因子，是滤波器的一个重要参数，可以用来控制滤波器的频率响应，决定零点的位置。
M可以是任意正整数，但是M越大，会导致带内主瓣的衰减过大，所以通常取1或2。
对式2-8作z变换可得：
（2-9）
令，可得响应的传输函数为：
C：
（2-10）
图2-6梳状滤波器的结构图
梳状滤波器是将当前的值与延时后的值作运算最后输出。
CIC滤波器系统的传递函数为：
（2-11）
图2-7单级CIC滤波器的的结构图
令可得CIC滤波器的频率响应为：
（2-12）
单阶CIC滤波器的幅频特性为：
（2-13）
由式2-12可得为其主瓣，其他区域称为旁瓣。
随着频率的增加，旁瓣的幅值会不断减小。
当时，滤波器的幅值为：
（2-14）
第一旁瓣的峰值幅值为：
（2-15）
衰减定义为，为第一旁瓣与主瓣的比值：
（2-15）
由式（2-15）可得，当旁瓣幅值变大时，阻带的衰减就会变得越差。
CIC的优点：
1无乘法器：
没有乘法器在一定程度上减少了运算量，从而可以提高电路的速率。
2无系数存储器。
存储器的减少直接影响设计的经济性。
3中间暂存的单元少。
4需要的外部控制和定时电路少。
3 FPGA的应用
FPGA介绍
FPGA（FieldProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的传输速度和驱动能力。
FPGA芯片丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为类不同的类别。
第一类是全局布线资源，用芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用完成芯片间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专时钟、复位等控制线。
在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。
从本质上讲，布线资源的使用方法设计的结果。
Quartus?
II是Altera公司推出的CPLD/FGA开发工具，提供了完全集成且与电路结构无关的开发环境，具有数字逻辑设计的全部特性Quartus?
II的优点：
1QuartusII与主流的第三方工具实现了无缝链接。
可以输入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件，也可以生成VHDL网表文件和Verilog网表文件，用于和其他具有工业标准接口的EDA工具进行交流。
2用户界面丰富、优化、易用、具
升级会员 