25基于FPGA数字信号处理

本科生毕业设计（论文）I摘要随着电子技术和集成电路技术的飞速发展，数字信号处理已广泛应用于语音、图像处理，通信和多媒体等领域中。傅立叶变换（DFT）作为其数字信号处理中的基本运算，发挥着重要作用。特别是快速傅立叶变换（FFT）算法的提出，减少了当N很大的时候DFT的运算量，使得数字信号处理的实现和应用变得更加容易，因此对FFT算法及其实现方法的研究具有很强的理论和现实意义，且实际价值不可估量。本文主要探讨了基于FPGA数字信号处理的实现。首先详细阐述了数字信号处理的理论基础，重点讨论了傅立叶变换算法原理，由于快速傅立叶变换算法在实际中得到了广泛的应用，本文给出了基-2FFT原理、讨论了按时间抽取FFT算法的特点。本论文对硬件描述语言的描述方法和风格做了一定的探讨，介绍了硬件描述语言的开发环境MAX+PLUSII。在此基础上，本论文详细阐述了数字集成系统的高层次设计方法，讨论了数字系统设计层次的划分和数字系统的自顶向下的设计方法，探讨了数字集成系统的系统级设计和寄存器传输级设计，描述了数字集成系统的高层次综合方法。最后本文描述了数字信号处理系统结构的实现方法，指出常见的高速、实时信号处理系统的四种结构：由于FFT算法在数字信号处理中占有重要的地位，所以本文提出了用FPGA实现FFT的一种设计思想，给出了总体实现框图:重点设计实现了FFT算法中的蝶形处理单元，采用了一种高效乘法器算法设计实现了蝶形处理单元中的旋转因子乘法器，从而提高了蝶形处理器的运算速度，降低了运算复杂度。关键词：数字信号处理；VHDL语言；FPGA；FFT算法本科生毕业设计（论文）IIAbstractWiththerapiddevelopmentofelectronicandintegratecircuittechnology,digitalsignalprocessinghasbeenwidelyappliedinvariousfield,likespeechingandgraphingprocessing,communication,multimedia.DFTplaysanimportantpartindigitalsignalprocessingasabasiccalculation.Especially,FFTalgorithmreducesthecalculationquantitywhenNisalittlegreat,whichmakesitmucheasierforimplementandapplication.ItisstronglytheoryandrealsignificationtoresearchontheFFTalgorithmanditsmethodfordesignanditsvaluecannotbecomputed.ThepapermainlyprobesintotherealizationofdigitalsignalprocessingbasedonFPGA.AtfirstthefundamentaltheoryofdigitalsignalprocessingandtheDFTalgorithmareexpounds,thenradix-2FFTandthecharacteristicofDITFFTarediscussed.Inthispaper,thedescriptionmethodandstyleofhardwaredescriptionlanguageanditsdevelopmentenvironmentMAX+PLUSIIaredetailed.Onthebasisofthat,thehighleveldesignmethodofintegrateddigitalsystemandthepartitionofdisignlevelofdigitalsystemarediscussed,thetop-downdesignstrategyandthehighlevelsynthesismethodofdigitalsystemarealsodetailed.Afterdoingthat,thepaperpointsouttheuniversalarchitecturesofthehigh-speedreal-timesignalprocessingsystemanddescribeshowtoimplementthem.SinceFFTplaysanimportantroleindigitalsignalprocessing,implementingFFTwithFPGAispresentedandthetotalrealizationgraphisdesigned.Forimprovingspeedanddecreasingcomputingcomplexity,highefficiencymultiplieralgorithmisusedtorealizingtwiddlefactormultiplierofbutterflyprocessingunit.Keywords：DigitalSignalProcessing;VHDL;FPGA;FFTAlgorithm本科生毕业设计（论文）III目录第1章绪论..........................................................................................................11.1数字信号处理概述...................................................................................11.2FPGA简介.................................................................................................21.3FFT算法的发展.........................................................................................31.4用FPGA实现数字信号处理的特点.......................................................41.5本文的主要工作.......................................................................................5第2章数字信号处理的理论基础........................................................................72.1离散傅立叶变换.......................................................................................72.1.1傅立叶变换的几种形式................................................................72.1.2离散傅立叶变换算法....................................................................82.2快速傅立叶变换.......................................................................................92.2.1FFT算法基本思想..........................................................................92.2.2按时间抽取基-2FFT算法...........................................................102.2.3按时间抽取FFT算法的特点......................................................11第3章硬件描述语言及MAX+PLUSⅡ平台....................................................143.1硬件描述语言（HDL）.........................................................................143.1.1HDL概述......................................................................................143.1.2HDL设计方法..............................................................................143.2VHDL语言..............................................................................................163.2.1VHDL语言简介...........................................................................163.2.2VHDL的优点...............................................................................163.2.3VHDL设计特点...........................................................................173.2.4VHDL基本设计流程...................................................................183.2.5VHDL设计单元模型...................................................................183.2.6VHDL语言中顺序执行语句和并行执行语句...........................223.3VHDL语言开发环境MAX+PLUSⅡ介绍............................................24第4章用FPGA实现数字信号处理算法..........................................................264.1数字信号处理的系统结构的实现方法.................................................264.2基于FPGA的FFT算法实现................................................................284.2.1FFT处理器的实现框图................................................................28本科生毕业设计（论文）IV4.2.2复数乘法器的实现......................................................................294.2.3蝶形运算单元的实现..................................................................314.2.4数据存