基于FPGA的FIR数字滤波器的设计.doc

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1、毕业论文(设计)题目名称： 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计 题目类型： 毕 业 论 文 目录长江大学毕业设计(论文)任务书开题报告长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见III长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语长江大学毕业论文（设计）答辩会议记录摘要前言1 绪论12 MATLAB软件介绍22.1 MATLAB的概况22.2 FDATOOL介绍23 硬件描述语言VHDL及FPGA43.1 硬件描述语言VHDL43.2 FPGA在设计中的具体应用44 数字滤波器的原理及设计64.1数字滤波器基础64.2 FIR数字滤波器的基本结构74.3 数字滤波器的设计104.4 FIR滤波器窗函数设计

2、法步骤125 FIR滤波器的设计与仿真135.1设计方案135.2 模块电路设计205.3 FIR滤波器的整体电路235.4 FIR滤波器整体电路仿真结果及结果分析26参考文献28附录29致 谢34word文档 可自由复制编辑长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系） 电子信息学院 专业 通信工程 班级 通信10901学生姓名 乐森明 指导教师/职称 蔡卫菊 （讲师）毕业设计(论文)题目： 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计1. 毕业设计（论文）起止时间：2012年12月20日2013年6月10日2毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）FPGA开发板、MATLAB软件、QUAR

3、TUS软件1）徐 年，张剑英，基于FPGA的FIR数字滤波器的实现，信息工程2007年第4期2）侯枫，杜雪峰，基于VHDL语言的FIR数字滤波器的实现，三门峡职业技术学院学报2009年12月3）黄睿，方康玲，基于FPGA的数字滤波器的硬件实现与应用，微计算机信息（测控自动化）2006年第22卷第9-1期. 4）孙耀奇，基于Matlab和FPGA的FIR数字滤波器的实现，现代电子技术2008年第11期3毕业设计(论文)应完成的主要内容1）利用Matlab工具箱设计线性相位FIR低通滤波器；word文档 可自由复制编辑2）了解窗函数设计FIR低通滤波器的方法，并对矩形窗、三角窗、汉明窗的幅度谱进行

4、比较，选择其中一种进行设计；3）利用Verilog HDL分别实现滤波器的各个模块，仿真无误后生成单元模块图；4）然后在Quartus里调用该模块，互联后综合得到系统电路图；5）设计FIR低通滤波器测试电路。4毕业设计(论文)的目标及具体要求目标：Matlab信号处理工具箱实现用窗函数法设计线性相位的FIR低通滤波器；VerilogHDL分别实现滤波器的各个模块。 要求：完成的任务必须符合实际工作要求 论文按照规范格式写作，文字字数不少于1.5万5、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求微机一台：CPU 500M以上、内存2G以上、硬盘20G以上软件：Matlab、Quartus上机时数

5、要求：上机时数不低于25学时。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） 长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计院 （系） 电 信 学 院 专 业 班 级 通信10901 学 生 姓 名 乐 森 明 指 导 教 师 蔡 卫 菊 辅 导 教 师 蔡 卫 菊 开题报告日期 2013年3月23日 基于FPGA数字滤波器的设计 学 生： 乐森明，电子信息学院（通信工程）指导教师：蔡卫菊，电子信息学院一 题目来源生产社会实际二 研究目的及意义现今，在数字信号处理和电子应用

6、领域，滤波器作为一个不可缺少的组成部分，已经广泛应用于通信、语音、图像、军事、航空、航天、医疗和家用电器等重要领域。FIR数字滤波器是数字信号处理系统中最基本的元件，其严格的线形相位特性，对于高保真的信号处理，如语音处理，数据处理和测试等是十分重要的。利用FPGA可以进行重复配置高精度的FIR滤波器设计，使用VHDL硬件描述语言可以很方便地改变滤波器的系数和除数经及实现大量的卷积运算算法。三 阅读的主要参考文献及资料名称1薛严冰，韩雪，邵远.基于分布式算法的FIR数字滤波器的FPGA实现J.大连交通大学报，2009（30）：84872李锦屏.基于分布式算法的数字滤波器的设计J.自动化与仪器仪表

7、，2010（3）：42433王天云.基于分布式算法的FIR滤波器的FPGA实现J.舰船电子工程，2005（5）：1071104吕绍娟，赵不贿.FIR数字滤波器的FPGA实现J.微计算机信息,2008（24）：2232265孙耀奇，高火涛，熊超，饶坤.基于MATLAB和FPGA的FIR数字滤波器的设计及实现J.现代电子技术，2008（11）：89926孙跃光，刘仁鑫，程欣.基于VHDL的FIR低通数字滤波器的设计J.微计算机信息，2010（26）：150152四 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向（一）国内外现状和发展趋势：数字滤波在DSP中占有重要地位。数字滤波器按实现的网络结构或者从单位脉

8、冲响应，分为IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。如果IIR滤波器和FIR滤波器具有相同的性能，那么通常IIR滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，执行速度更快，所有的存储单元更少，所以既经济又高效,但IIR滤波器却远达不到FIR滤波器的线性相位。数字滤波在通信、图像编码、语音编码、雷达等许多领域有着十分广泛的应用。目前，数字信号滤波器的设计在图像处理，数据压缩等方面的应用取得了令人瞩目的进展和成就。近年来迅速发展。随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门及其重要的科学和技术领域。数字滤波器精确度高，使用灵活，可靠性高，具有模拟设备没有的许多优点，已广泛地应用与各个

9、科学技术领域，例如数字电视，语音，通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是模拟电路技术存在很多难以解决的问题，而采用数字则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。MATLAB是美国Mathworks公司推出的一套应用于工程计算的可视化高性能语言与软件环境。它以矩阵运算为基础，把计算，可视化，程序设计融合到了一个交互式的工作环境中。MATLAB推出的工具箱使各个领域的研究人员可以直观方便地进行科学研究、工程应用，其中的信号处理、图像处理、小波等

10、工具箱为数字滤波研究的蓬勃发展提供了有力的工具。(二)研究的主攻方向：FIR数字滤波器的传输函数是全零点型，不存在极点，因此也不会出现因极点可能跑到单位圆外面而导致系统的不稳定的现象，并且由于它的单位脉冲响应是有限长的，在实现滤波时，可采用FFT快速算法，因此，在一些需要线性相位的场合获得了广泛的应用。因此，本课题重点介绍了FIR数字滤波器的设计和实现。基于FPGA数字滤波器的设计与实现，不仅利用Matlab工具箱设计窗函数计算FIR滤波器系数，并通过VHDL层次化设计方法，同时FPGA与单片机相结合，采用C51及VHDL语言模块化的设计思想进行优化编程，进一步完善了数据的快速处理和有效控制，

11、提高了设计的灵活性、可靠性，也系统功能的可扩展性。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路（一）主要研究内容FIR滤波器的硬件电路设计主要由前置放大电路、A/D转换、D/A转换、单片机、FPGA等部分组成。其中，数字滤波器利用Matlab工具箱设计窗函数计算FIR滤波器系数，基于FPGA最终实现。系统设计框图如下：LCD键盘单片机AT89s51A/D转换FPGAEPM1270T144C5ND/A转换放大电路模拟输出信号输入图1 系统设计框图1）Matlab滤波器参数的设定使用Matlab软件中的Filter Design_Toolbox工具箱中的FDA Tool，选择所要设计的滤波器，

12、通过不同的窗函数而产生的不同波形，实现滤波功能效果不同。可以依次得到h(n)的值。2）系统功能仿真测试通过开发工具Quartus对各个模块的VHDL源程序及顶层电路进行编译、逻辑综合，电路的纠错、验证、自动布局布线及仿真等各种测试，最终将设计编译的数据下载到芯片中，同时与单片机AT89S51结合，进一步进行数据的快速处理和控制，实现键盘可设置参数及LCD显示。3）设计思路分析这种基于FPGA数字滤波器的设计与实现，不仅利用Matlab工具箱设计窗函数计算FIR滤波器系数，并通过VHDL层次化设计方法，同时FPGA与单片机相结合，采用C51及VHDL语言模块化的设计思想进行优化编程，进一步完善了

13、数据的快速处理和有效控制，提高了设计的灵活性、可靠性，也系统功能的可扩展性。（二）需重点研究的关键问题及解决方案1）对于具有对称结构的直接型FIR滤波器用加窗的设计方法，经比较后窗函数选用汉明窗，根据实际指标要求在Matlab和“Filter Design”工具里设置各参数，然后算得系数h(n)，得到的系数是用十进制表示的，需要将其转换成系统要求的精度（如18位）的定点二制小数，把所有系数乘以后再四舍五入即可。2）用Verilog HDL分别实现滤波器的各个模块，仿真无误后生成单元模块图，然后在Quartus II里调用该模块，互联后综合得到系统电路图。六、工作条件计算机一台、 FPGA开发板

14、、12864液晶屏调试工具（示波器、函数信号发生器、稳压电源，万用表）七、进度安排第1周：制定毕业设计安排第2周：制作开题报告幻灯片，查找相关资料第3周：完成开题答辩第4周：方案审定第5周：学习VerilogHDL语言，设计思路等第6和7周：采用Matlab中的FDATool进行FIR数字滤波器参数的设定第8和9周：收集数字滤波器相关资料和数据，并加以整理第10周:查找阅读外文资料和文献第11周：完成英语文稿翻译第12和13周：完成毕业设计论文第14周：完成毕业设计答辩八 指导教师审查意见 签名： 年 月 日长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名乐森明专业班级通信10901毕业论文(

15、设计)题目 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计指导老师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导老师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名乐森明专业班级通信10901毕业论文(设计)题目 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，

16、难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文（设计）答辩记录及成绩评定学生姓名乐森明专业班级通信10901毕业论文(设计)题目基于FPGA的FIR数字滤波器的设计答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩

17、小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日答辩委员会主任(签名)： 院 (系)(盖章)基于FPGA的FIR数字滤波器的设计 学 生：乐森明 电子信息学院指导老师：蔡卫菊 电子信息学院【摘要】随着科技的发展，电子电路的设计正逐渐摆脱传统的设计模式，而采用FPGA（现场可编程门阵列）来设计电子电路正成为设计的趋势。目前，在数字信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一个不可少的组成部分，处在一个十分重要的地位，已经广泛应用于通信、语音、图像、自动控制、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域，并日益显示出其巨大的应用价值。

18、随着利用计算机技术解决滤波器设计的不断深入，派生出了一个新的分支，即数字滤波器，同模拟滤波器相比，它具有精度高、灵活性好、便于大规模集成等突出优点，还可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限长冲激响应（FIR）滤波器，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。本文将研究基于FPGA设计FIR数字滤波器。 【关键词】FPGA 数字信号处理；数字滤波器；现场可编程门阵列；硬件描述语言The design of FIR digital filter based on FPGA ABST

19、RACTStudent：senming le School of Electronic Information Teacher: Weiju Cai School of Electronic InformationAbstract With the development of the technology, the design of the electronic circuit is getting rid of traditional pattern, while using FPGA to design electronic circuit is becoming the trend

20、of design. At present, in the field of digital signal processing and electronic applications, the filter as an essential component in a very important position, has been widely used in communication, voice, image, automatic control, radar, military, aerospace, health care and home appliances and man

21、y other fields, and demonstrated its great value. With the filter design using computer technology to solve the deepening derive a new branch of the digital filter, compared with analog filter, it has high precision, flexibility, and easy large-scale integration and other advantages，and can escape m

22、any problems such as voltage excursion, temperature excursion, noise and so on which can not be solved by analogy filter.It is widely used of Finite Impulse Response (FIR) filter, because it has the advantage of only zeros, system stable, linearity phase, to implement FFT fast, quick operation and s

23、o on. This article will study designing FIR based on FPGA.Key words FPGA Digital signal processing; digital filter; field programmable gate array; hardware description; software前言数字滤波在图像处理、语音识别和模式识别等数字信号处理中占有重要地位。与模拟滤波器相比，数字滤波器可以满足滤波器幅度和相位特性的严格要求，可以克服模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。FIR 滤波器被广泛用于各类数字信号处理系统

24、中实现卷积、相关、自适应滤波、正交插值等处理,对于非实时系统和低速采样系统,FIR 滤波器的运算可在CPU 或DSP 处理器上采用软件实现。但对于无线通讯、雷达以及工业控制，甚至语音信号处理等实时应用，由于FIR 运算计算量过大，采用DSP 软件可能无法实现,因此采用可编程器件便是最好的方法。有限冲激响应（FIR）滤波器可以保证严格的线性相位。同时由于其实现结构主要是非递归的，因此FIR 滤波器可以稳定工作。 目前 FIR 滤波器大致有以下几种实现方法：（1）使用单片通用数字滤波器集成电路。单片通用数字滤波器使用简单方便，但由于字长和阶数的规格较少，不能完全满足实际需要。虽可采用多片扩展来满足

25、，但会增加体积和功耗，因而在实际中受到一定限制。（2）采用DSP 器件实现。由于有专门的函数可供调用，因此使用DSP 器件设计FIR滤波器相对较简单，其应用也最为广泛。其唯一缺点是程序顺序执行，尽管DSP 器件性能不断提高，但在某些实时性要求极高的场合中受到限制。（3）采用可编程逻辑器件实现。随着可编程逻辑器件的容量和速度的不断增加，实现单片系统集成已经成为可能。利用可编程逻辑器件实现FIR 滤波器，由于实现的是硬件并行算法，因此特别适用于某些实时性要求高的场合。word文档 可自由复制编辑1 绪论在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益

26、显示出其巨大的应用价值。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、减小体积、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DSP的串行指令执行发式，时期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。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

27、件(PLD)的方法来实现。现场可编程门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。但在很多工程设计应用中，由FPGA器件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制形式输出的信号可视性差，给设计人员进行仿真、调试带来了很多不便。对于很多工程设计人员来说MATLAB是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPGA与MATLAB接口，就可以快速、准确、直观地对FPGA程序进行校验和仿真，尤其在数字信号处理等工程应用领域具有实际意义。本文正是借助于MATLAB/Simu

28、link工具设计分析FIR数字滤波器，并实现对FIR数字滤波器系统的模拟仿真。自从1989年美国Xilinx公司率先发明FPGA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得应用优势，随着亚微米CMOS集成电路制作技术的成熟与发展，器件集成度不断增大，期间价格不断下降的趋势，逐渐受到各国电子系统应用领域的设计工程师的广泛关注和欢迎。时至今日，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)等诸多领域的实用技术，成为科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。word文档

29、可自由复制编辑2 MATLAB软件介绍2.1 MATLAB的概况MATLAB(Matrix Laboratory)是矩阵实验室之意，除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、图像处理、语音处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类，一类是数值计算型软件，如MATLAB，Xmath，Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析软件， Maple这类软件以符号计算见长，能给出解析和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低，MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在

30、其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算，文字处理，可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB已经占据了数值软件市场的主导地位。世纪80年代初期，Cleve Moler与John Little等利用C语言开发了新一代的MATLAB语言，此时的MATLAB语言已同时具备了数值计算功能和简单的图形处理功能。1984年，Cleve Moler与John Little等正式成立了Mathworks公司，把MATLAB语言推向市场，并开始了对MATLAB工具箱等的开发设计。1993年，Mathwor

31、ks公司推出了基于个人计算机的MATLAB 4.0版本，到了1997年又推出了MATLAB 5.X版本 ，并在2000年又推出了最新的MATLAB 6版本。2.2 FDATool介绍FDATool (Filter Design&Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具 ，MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱 (Filter Design Toolbox)。 FDATool可以设计几乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法 。它操作简单 ,方便灵活。FDATool界面分为两大部分，一部分是Design Filter,在界面

32、的下半部，用来设置滤波器的设计参数；另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。 Design Filter部分主要分为：FilterType(滤波器类型 )选项，包括Lowpass(低通 )、Highpass(高通 )、Bandpass(带通 )、Bandstop(带阻 )和特殊的FIR滤波器。Design Method(设计方法 )选项，包括IIR滤波器的Butterowrth(巴特沃思 )法、Chebyshev Type I(切比雪夫型 )法、Chebyshev Type (切比雪夫型 )法、Elliptic(椭圆滤波器 )法和FIR滤敞器的Equiripple法、L

33、east-Squares(最小乘方 )法、Window(窗函数 )法。filter order（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括specify order（指定阶数）和minimum order（最小阶数）。在specify order中填入所要设计的滤波器的阶数（n阶滤波器，specify ordern-1），如果选择minimum order则matlab根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。frenquency specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率fs和频带的截止频率。它的具体选项由filter type选项和design method选项决

34、定，例如bandpass（带通）滤波器需要定义fstop1（下阻带截止频率）、fpass1（通带下限截止频率）、 fpass2（通带上限截止频率）、fstop2（上阻带截止频率），而lowpass（低通）滤波器只需要定义fstop1、fpass1。采用窗函数 设计滤波器时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。3 硬件描述语言VHDL及FPGA3.1 硬件描述语言VHDL VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。19

35、87年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。子IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076(简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，(简称93版)。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事

36、实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL与Verilog语言将担负起大部分的数字系统设计任务。3.2 FPGA在设计中的具体应用在利用FPGA进行FIR滤波器研究时，为了确保设计的顺利完成，必须对一些问题仔细考虑。在本章中将详细讨论基于FPGA涉及硬件电路的方式优于传统的硬件电路的设计模式，FPGA的结果和用到的器件的结构、FPGA的开发环境及开发语言，在本设计中数是如何具体表示的和运算在FPGA中是如何完成的，以及在FIR滤波器的设计中重要部件的设计方法。 硬件电路的设计方式随着计算机软件、硬件和集成电路制造技术的飞速发展，以及数字硬件设计复杂度快速增长和设计成果的继承性的

37、需要，对数字硬件系统的设计方法产生了极大的影响，传统的以线路图为基础的数字硬件系统设计方法正逐步被以硬件描述语言为基础的设计方法所取代。 传统的硬件电路设计方法在传统的硬件电路设计中，设计者需要先了解整个系统的原理，画出相应的原理图，在根据原理图生成相应的线路图，还需要对软件生成的线路图进行布线，布线好的在拿到工厂生产电路板，在按原理图和电路图将相应的原件插入PCB板中，焊接，整体调试等。整个过程很复杂，有点像搭积木的性质，设计者的许多时间会被无谓的浪费，而且设计的周期非常长，并且要求设计者具有过硬的电子电路知识和设计开发经验。从上述描述看出，系统硬件的设计是从选择具体元器件开始的，并用这些元

38、器件进行逻辑电路设计，即从最底层开始设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将个功能模块连接起来，直到最高层，完成整个系统的硬件设计。用上述设计方法设计的数字硬件系统最后形成的设计文件，主要是由若干张电路原理图构成的文件。在电路原理图中详细标注了各逻辑单元、器件的名称和相互之间的信号连接关系。 基于FPGA的硬件电路设计方法基于FPGA来设计电路与传统的方法有本质的不同，它摒弃了传统设计中的不灵活性，其可以通过软件编程的方法而对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，从这一点上来说，软件设计师只要具备一定的电子设计思想，就完全可以转到此项工作。在本文中使用的是V

39、HDL语言，最早是由美国国防部为描述电子电路所开发的一种语言，它可以很方便地描述一个系统的功能，也可以详细描述一个器件的状态。4 数字滤波器的原理及设计4.1 数字滤波器基础 数字滤波器的概述数字滤波器(digital filter)是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件来实现。数字滤波器是一个离散时间系统(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)。 数字滤波器的特点线性时间不变

40、(Line Time-Invariant, LTI)数字滤波器通常分为有限脉冲响应(Finite Impulse Response, FIR)和无限脉冲响应(Infinite Impulse Response, IIR)两大类。FIR滤波器相对于IIR滤波器的有点与不足如下：优点：1.具有严格的线性相位又具有任意的幅度；2.FIR滤波器的单位采样响应是有限长的，因而滤波器的性能稳定；3.FIR滤波器由于单位冲激响应是有限长的，因而可以用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现过滤信号，可以大大提高运算效率。不足：1.FIR系统的系数长度一般会比IIR系统大，也就是说要设计一个符合要求的滤波器，FIR

41、系统需要较多乘法器，当以直接回旋运算执行时其效率差。2.此系统的输出延迟时间长。由上面的比较可以看出，FIR滤波器还存在缺点，但采用FPGA进行FIR滤波器的设计，运用FPGA中的算法来提高速度，缩短延迟的时间，可以使FIR滤波器负荷指标的要求，随着FPGA的快速发展，FIR的缺点将逐渐被克服。 FIR数字滤波器的基础数字滤波器(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以表示成： (4.1.1)其常系数线性差分方程为： (4.1.2)可以看出，数字滤波器是把输入和之前的输出序列经过一定的运算变换成输出的序列。对于FIR系统，其系统函数仅有零点(

42、除z=0的极点外)，因此FIR系统的差分方程可以表示为： (4.1.3)转移函数为： (4.1.4)由式 (4.1.3)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入数据有关，而与过去的输出数据没有直接关系。由此可见FIR滤波器是因果的，是物理可实现的系统，因而它在实际中往往采用非递归(无反馈作用)形式的结构来实现。4.2 FIR数字滤波器的基本结构FIR滤波器的构成形式主要有直接型、级联型、线性相位FIR滤波器和频率采样型等，下面分别加以讨论。 直接型结构图4.2.1 给出了N阶LTI型FIR滤波器的图解。由图4. 2.1可见FIR滤波器是由一个抽头延迟线、加法器和乘法

43、器的几何构成的。 图4.2.1 直接型结构的FIR滤波器 级联型如将式(4.1.3)分解为二阶实系数因子形式： (4.2.1)级联型FIR滤波器的优缺点如下：优点：每一节控制一堆零点，因而在需要控制传输零点的场合时可采用；缺点:相应的滤波系数增加，乘法运算次数增加，因而需要较多的存储器，运算时间比直接型长。 线性相位FIR系统的结构 线性相位响应的优点如下：1.设计问题中只有实数运算而没有复数运算，运算简单；2.线性相位FIR滤波器没有延时失真，仅有某一固定时延，便于设计；3.对于长度为M(或M-1)的滤波器，其运算次数具有M/2量级，提高运算速度，节省资源。系统相位线性度的标准尺度就是“组延迟”，其定义为： (4.2.2)完全理想的线性相位滤波器对于一定频率范围的组延迟是一个常数，如果滤波器是对称或反对称的，就可以实现线性相位。线性相位(相移)表示一个系统的相频特性与频率成正比，由于不同频率传输速度都一样，所以信号通过它产生的时间延迟等于常数k，所以不出现相位失真，对于一个数字系统来说，即 (4