1、 本科生毕业论文(设计)基于VHDL的FIR滤波器设计院系名称姓名学号专业指导教师 年3月9摘 要当前是电子技术飞速发展的时代，而滤波器已成为人们进行各种信号处理和通信时使用的重要器件，同时滤波器随着电子工业技术的高速发展已经从模拟滤波器时代向数字滤波器时代迈进，出现了数字滤波器与模拟滤波器并存现象，并且数字滤波器有逐步取代模拟滤波器的情况。本论文契合技术的发展，详细讨论并设计实现一种基于VHDL的FIR数字滤波器，该滤波器是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应为有限长，其特点为：能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模
2、拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。本论文是针对FPGA器件的特点与VHDL语言的特点，结合所学的MATLAB工具软件来实现FIR滤波器的功能仿真、程序编辑及编译和最终功能的实现。关键词：FPGA；VHDL；MATLAB；FIR滤波器IIIAbstractAs the rapid development of electronic technique, filter has become an important device when people use for communication and deal with all kinds of signals. At the
3、 same time, with the quick development of electronic industrial technique, filter has already changed from analog filter time to digital filter time, and with a situation that the latter substitute for the former. This dissertation correspond to technological developing, bat around and design a FIR
4、digital filter based on VHDL which is a basic component in digital signal dealing system. It can assure arbitrary amplitude-frequency characteristic, strictly Linear phase frequency characteristics and its unit sample response is finite. Its characteristic is to content filters strict demands with r
5、ange and phase characteristic and devoid problems of voltage drift, temperature drift, and noise that are beyond analog filters ability. Take FPGA device and VHDL languages character into account and combine with MATLAB mathematical tool software, the papers aim is to achieve FIR filters functional
6、simulation, Programs edits and compiling and its final functions realizing.Key words：FPGA, VHDL, MATLAB, FIR filter目录第1章 引 言11.1 研究背景及课题意义11.1.1 数字滤波器特点11.1.2 FIR滤波器特点11.1.3 FIR滤波器的现状21.2 国内外研究现状及研究成果21.2.1 FIR滤波器国内外的研究现状21.2.2 FIR滤波器目前的研究成果31.3 本论文实现的基本要求3第2章 FIR滤波器的硬件方案52.1 FIR滤波器的硬件方案52.1.1概述52.1
7、.2硬件方案比较与选择52.1.2硬件方案的确定82.2 FPGA简介82.2.1 FPGA的背景82.2.2 FPGA的工作原理及内部结构图9第3章FIR滤波器的软件算法实现103.1 FIR数字滤波器概述103.1.1 FIR数字滤波器的数学模型103.1.2 FIR数学滤波器的结构103.2 FIR数字滤波器的方案论证113.2.1 方案分析113.2.2 FIR数字滤波器的最终方案133.3 FIR滤波器的具体实现143.3.1移位寄存器的实现143.3.2 8位乘法器的实现153.3.3 加法树的实现153.3.4 总控制器的实现173.5 FIR滤波器的最终实现17第4章FIR滤波
8、器性能与误差的分析194.1 使用MATLAB仿真的过程194.1.1使用Matlab 中的FDAtool 设计滤波器204.2利用Matlab 产生噪声信号用于滤波器测试21第5章 结束语23致 谢24参考文献25附 录 1 FIR滤波器的VHDL程序26附 录 2 MATLAB仿真程序31391 引 言1.1 研究背景及课题意义1.1.1 数字滤波器特点数字滤波器是数字信号处理的重要基础，其含义是指通过某种数值运算，达到改变输入信号中所含频率分量的相对比例，或滤除某些频率分量的目的。它与模拟滤波器的使用方式差不多，但其实现的方式不相同。数字滤波器是通过采用数值运算的方法达到滤波效果的，它的
9、计算方法主要通过计算机编写软件程序来完成，也可以使用专用的DSP芯片以达到目的，当然也可以使用VHDL硬件描述语言来进行设计。数字滤波器是以单位脉冲响应长度来分我们称为,无限长单位脉冲响应滤波器IIR和有限长单位脉冲滤波器即FIR；按响应来分，也可分为低通，高通，带通、带阻滤波器等等，数字滤波器因为其特有的、严格的线性相位、高稳定性和高精度也可以用快速付里叶变换和其它快速算法来实现，另外它也有设计的灵活性和适应性强等特点，所以而被广泛的使用。如果从数学系统模型上来看，数字滤波器就是一种离散的时间系统（按预定的算法，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）。那么,如果使用
10、数字滤波器处理模拟信号时，就首先要将输入模拟信号进行限带、抽样和AD转换。那么数字滤波器输入信号就是按照抽样定理，它的抽样率一般是要大于被处理信号带宽的两倍的，它的频率响也应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性的。要想得到模拟信号，数字滤波器所处理的输出数字信号就必须要经过DA转换和平滑。一般数字滤波器的特点有：很高的精度、很高的可靠性、能够可以程控改变特性或是复用、方便于集成等等优点。其应用非常广泛，其典型的应用有这些，语言信号处理、图像、频谱分析、信号处理、模式识别、医学生物信号处理、雷达信号处理等。1.1.2 FIR滤波器特点FIR滤波器即Finite Impulse Response,也
11、是叫做有限长单位冲激响应滤波器，它是数字信号处理系统中的最基本元件，它能够保证任意幅频特性的同时还具有严格线性相频特性的，并且它的单位抽样响应是有有限长的，因此这滤波器是稳定的系统。所以，FIR滤波器在通信、图像的处理、模式的识别等领域都有着广泛应用。其主要用途在于，可用来实现信号的预处理、防混叠、带选、滤波、视频卷积、抽选和插补等功能。1.1.3 FIR滤波器的现状传统FIR数字滤波器大多采用像TMS320CXX系列专用DSP芯片，根据输入采样的移位相乘累加来编写软件，以利用软硬件的相互结合完成滤波器的设计。但是由于DSP芯片结构局限，使得数据处理速度和吞吐量都不是很理想。由于FPGA芯片具
12、有丰富连线资源和规整的内部逻辑块整列，非常适合于用细腻度并且具有高并行度结构的FIR滤波器来实现实现，这么相对比于串行运算所主导的通用性DSP芯片来说，并行性和可扩展性就变得更加好了。同时由于在性能上、灵活性上、成本上和功耗上等方面的优势，所以基于FPGA的数字信号处理现在已经广泛应用于视频、图像和无线通信等领域。1.2 国内外研究现状及研究成果1.2.1 FIR滤波器国内国外的研究现状在国外：数字FIR滤波器在国外最早出现在军方的保密通信运用中，因为FIR滤波器具有：保证任意幅频特性的同时具有很严格的线性相频特性，同时它的单位抽样响应是有限长的这一特性，因此当这一特性被科研人员发现后，就立即
13、被广泛的应用了。在一开始的时候FIR滤波器它由模拟器件构成的，那么在这种情况下，虽然FIR滤波器具有稳定性，但是由于模拟器件的物理特性，如电路的结构、温度漂移等等，结果就造成了FIR滤波器使用的不稳定性和不方便性。因此这种使用不方便和不稳定的FIR滤波器直到第一款DSP数字处理芯片的问世而被改善。1979年美国Intel公司发布了一款商用可编程器件2920，它是DSP芯片的一个里程碑。1982年，美国德州仪器公司也成功推出了一款高性能具有乘法器的TM320CXX系列商用DSP芯片，之后从这一系列芯片发布后，FIR滤波器就进入了数字时代，它的特性也被很好的体现出来了。TM320系列DSP芯片也一
14、直在数字滤波器市场上占领了相当长的一段时间。当时由于相应数学工具的不完善，FIR滤波器相关参数只能通过人工手动来编辑算法，通过计算机计算出来,得出相应的数据，从而使得滤波器的灵活性受到限制。而这一性能的完美改善得益于一款数学工具软件MATLAB的问世。TM320系列DSP芯片使用一段时间后，而同时随着通信数据的不断增加，人们对通信要求不断提高，此时TM320系列DSP芯片由于其内部结构的限制，也已经不能很好的满足此时的需求，这时人们面对两种选择：一、选择更高性能的DSP芯片，成本会增加很多，二、选择相同成本它的内部结构更合理，但是相应算法会更难一些，能进行并行数据处理的FPGA芯片。在面对这样
15、两种选择下，人们就选择了第二种方式。此后，FPGA芯片就进入了FIR滤波器的世界里，并且更受人们的青睐。在国内：FIR滤波器应用也是在其于以上两款芯片进行开发的，而且两种类型芯片的发展也差不多是同时进行的。1.2.2 FIR滤波器目前的研究成果目前FIR滤波器的主要研究成果为拥有成熟的ASIC芯片供广大用户使用，如DSP芯片TM320CXX系列，而其于FPGA平台FIR滤波器发展要慢一些，这是因为使用FGPA开发的人员要相对少些，而且技术力量也相对不足。1.3 本论文实现的基本要求本次毕业论文在分析了当前的FIR滤波器发展现状后，将结合毕业设计任务要求，指导老师的指导实现并完成，其具体要求为如下所述：采用FPGA设计FIR数字滤波器。使用VHDL语言来实现FIR数字滤波器的功能，设计一个11阶8位FIR数字滤波器。其实现的具体步骤又可以分为以下几步：1、使用MATLAB数学工具软件做出FIR滤波器的电脑仿真；2、使用MATLAB数学工具软件导出FIR滤波器的相关参数；3、使用QII软件编写FIR滤波器的控制和调用程序，在电脑上仿真；4、将导出的FIR滤波器相关参数加载到使用QII软件编写的相应程序中，并做出仿真。最终完成任务要求。
