基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计

EDA设计基础实验课程论文题目基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计学院通信与电子工程学院专业班级通信111班学生姓名霍守斌指导教师大力会目录摘要................................................................IAbstract............................................................II第1章绪论.........................................................11.1课题的目的和意义..............................................11.2FPGA技术的发展及应用........................................21.3FPGA软件设计工具QuartusII....................................3第2章FIR数字滤波器的理论研究及分析...............................52.1数字滤波器的理论基础..........................................52.2数字滤波器的分类..............................................52.3FIR数字滤波器的设计方法.......................................6第3章FPGADSP系统设计分析.......................................73.1DSP的基本概念................................................73.2FPGA实现DSP的特点..........................................83.3DSPBuilder设计工具及设计规则..................................9第4章基于FPGA的FIR低通滤波器设计.............................124.1设计方案......................................................124.2FDATool滤波器设计...........................................124.3FPGA定点数的确定............................................144.3.1导出系数文件...............................................144.3.2FPGA定点数转换..........................................154.4FIR滤波器模型的建立..........................................174.4.1乘加子系统的搭建...........................................174.4.2滤波器模块的添加和模块参数设置............................214.4.3各模块的连接...............................................27第5章Simulink仿真................................................295.1仿真时间设定.................................................295.2示波器模块显示...............................................295.3仿真结果分析.................................................31结论..............................................................33参考文献...........................................................34致谢...............................................................35附录...............................................................36附录1FIR滤波器仿真模型图.......................................36附录2FIR滤波器测试模型图.......................................37附录3FPGA定点数转换程序.......................................37I摘要在现代通信领域中，FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用，属于数字信号处理的基本模块之一。在实践中，往往要求对信号处理有实时性和灵活性，而已有的一些软件和硬件的实现方式则难以同时到达这两方面的要求。随着可编程逻辑器件和FDA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。本设计利用MATLAB/Simulink/DSPBuilder设计一个FIR滤波器。首先根据滤波器指标，利用MATLAB工具箱滤波器设计工具设计滤波器，然后根据实际需要将系数导出并量化。接下来在Simulink中使用Simulink库和DSPBuilder库建立设计模型，并在Simulink中仿真。关键词：FPGA，FIR低通滤波器，DSPBuilder，SimulinkIIAbstractInthemoderncommunicationsfield,theFIRDigitalFilterisusedfromanypracticalapplicationsforitsgoodlinearphasecharacter,anditprovideanimportantfunctionindigitalsignalprocessingdesign.Inpractice,thereisalwaysareal-timeandflexiblerequirementforsignalprocessing.However,softwareandhardwaretechniquesavailableforimplementationaredifficulttomeetthedemandforthetwoaspectsinthesametime.AlongwiththedevelopmentofPLDdeviceandEDAtechnology,moreandmoreelectricalengineersuseFPGAtoimplementFIRFilter,asitnotonlymeetthereal-timerequirement,butalsohassomeflexibility.ThisdesignusesMATLAB/Simulink/DSPBuildertodesignaFIRDigitalFilter.Firstlyaccordingtotheindexofthefilter,MATLAB/Toolboxes/FilterDesign/FilterDesign&AnalysisTool(FDATool)isusedtodesignthefilter.Thenaccordingtopracticalrequirementderiveandquantifythecoefficient.UsetheSimulinkLibraryandtheDSPBuilderLibrarytoestablishdesignmodelandsimulateintheSimulink.Keywords:FPGA，FIRlowpassFilter,DSPBuilder,Simulink1第1章绪论1.1概述在当今的生活中，身边的工程技术领域越来越受到关注。其中的通信领域所涉及到的各种信号更是重中之重。如何在较强的背景的噪声下和干扰的信号下有效提炼出真正的有用信号并将其真正运用到实际的工程中，这正是信号处理要解决的问题。上世纪60年代，数字信号处理在理论层上发展迅猛。其体系和框架逐渐成熟，如今，数字信号处理已经成为一门完整的学科。其涉及到许多学科而又广泛应用于许多领域，20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。而数字滤波器在这门学科中占有很重要的地位。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要求的输出离散时间信号的转换为所特定功能装置）。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1/2抽样频率点呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。它涉及到的领域很广，如通信系统，系统控制，生物医学工程，机械振动，遥感遥测，地质勘探，故障检测，电力系统，航空航天，自动化仪器等。数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大，一个好的数字滤波器会有效的推动众多的工程技术领域改造和学科发展。所以对数字滤波器的工作原理，硬件结构和实现方法进行研究具有一定的意义。2FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中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。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程.1.2FPGA技术的发展及应用FPGA正处于高速发展时期，新型芯片的规模越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件，高端的FPGA将会成为今后竞争的主流。自1985年问世以来，FPGA从集成电路与系统家族一个不起眼的小角色逐渐成为电子设计领域的重要器件。它极大地提高了设计灵活性并缩短了产品上市时间，在通信、工业控制、航空领域中广泛应用。FPGA行业集中度很高，几家美国公司掌握着行业的“制空权