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1、北方民族大学学士学位论文论文题目: 基于FPGA的数字滤波器设计 院 (部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 马宝福 专 业: 测控技术与仪器 学 号:20100259 指导教师姓名: 蔡静之 论文提交时间: 2014年5月19日 论文答辩时间: 2014年5月24日 学位授予时间: 2014年6月15日 北方民族大学教务处制摘要本论文设计了一个基于FPGA（现场可编程逻辑门阵列）FIR（有限脉冲响应）31阶低通滤波器，通带截止频率为0.1MHz，通带波纹最大1dB，阻带最小衰减-50dB，数据的输入输出宽度为8位，采样频率5MHz。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器，在信号系统邻域
2、中，一般除了A/D转换前期的滤波和D/A转换后的滤波使用模拟滤波器，基本上其他的滤波一般优先考虑数字滤波器。数字滤波器与模拟滤波器相比有许多的优点：频域易控制，性能指标好；容易实现线性相位的系统，而且稳定，基本上不受外界影响；可重用性和灵活性比较高，只需编程就可以修改其特性，设计周期短。数字滤波是推动数字信号处理与相关芯片快速发展的一个要素。本论文的FPGA芯片选用Altera公司Cyclone2系列的EP2C8Q208C8N芯片，模数转换使用ADC9280，数模转换使用DAC9708，来实现数字滤波器，FPGA与ASIC、DSP相比，具有明显的优势，在功耗，体积，成本都优于ASIC、DSP，
3、并且处理效率高，可编程性好，并行处理能力非常强，能完成DSP很难完成的许多功能。本论文首先简单的介绍数字滤波器、FIR滤波器、FIR的窗口函数选择以及FPGA分布式算法的实现，并对系统硬件各功能模块进行了说明；然后根据系统总体设计的要求指标，使用MATLAB来设计确定系数，因为FPGA不能表示浮点数，所以对系数进行了量化，使用verilog HDL硬件语言编程，Modelsim进行功能仿真；最后使用实物来验证结果，并达到预期的目的。关键词：FPGA，FIR滤波器，MATLAB，分布式算法ABSTRACTIn this thesis, the FIR(Finite Impulse Respons
4、e )31 -order low-pass filter based on FPGA(programmable logic device),passband cutoff frequency of 0.1MHz,the maximum passband ripple 1dB,stopband minimum attenuation -50dB, input data The output width is 8,the sampling frequency 5MHz.Filter into the analog and digital filters,in the neighborhood of
5、 the signal system,generally in addition to A/D conversion using the analog filter pre- filter filtering and D/A conversion,substantially the other digital filtering is generally preferred filter.Compared with the analog filter digital filter has many advantages: easy to control the frequency domain
6、,a good performance;easy to achieve linear phase systems,and stable,essentially free from outside influence;reusability and flexibility is relatively high,only programming can be required to modify its properties,short design cycle.Digital filtering is an important element to promote the rapid devel
7、opment of digital signal processing and related chips.In this paper, Alteras FPGA chip selection Cyclone2 series EP2C8Q208C8N chips,analog to digital conversion using ADC9280,digital to analog conversion using the DAC9708,to implement digital filters,FPGA compared to ASIC,DSP,has obvious advantages
8、in power consumption, size,costs are better than ASIC, DSP,and high efficiency,good programmable parallel processing capability is very strong,able to complete many of the features DSP difficult to accomplish.This paper first introduces,digital FIR filter and FIR filters and window function selectio
9、n and FPGA distributed algorithms,and system hardware of the functional modules are described;then index system according to the requirements of the overall design,the use of MATLAB to designed to determine the coefficients can not be represented.Key words:FPGA,FIR filter,MATLAB,Distributed algorith
10、msIV目录前 言1第1章 系统总的设计21.1 系统设计任务与要求21.1.1 系统设计任务21.1.2 系统设计要求21.2 重点研究内容与实现方法31.2.1 重点研究内容31.2.2 实现途径及方法3第2章 数字滤波器简述与实现方法42.1 数字滤波器概述42.1.1 数字滤波器的分类42.1.2 数字滤波器的技术要求42.2 FIR滤波器的概述52.2.1 FIR滤波器的相位特性62.2.2 FIR滤波器的网络结构72.3 FIR滤波器的实现方法92.3.1 FIR滤波器的设计92.3.2 FIR滤波器FPGA的实现方法12第3章 系统硬件各功能模块153.1 系统硬件概述153.2
11、 各功能模块的描述153.2.1 主控模块153.2.2 配置数据存储器件173.2.3模数转换ADC173.2.4 数模转换DAC19第4章 系数确定与功能模块实现214.1 FIR滤波器的系数214.1.1 FIR滤波器的系数确定与验证214.1.2 FIR滤波器系数的量化244.2 功能模块的实现254.2.1 编程语言Verilog HDL254.2.2 模数转换与数模转换254.2.3 FIR功能模块26第5章 功能仿真与实物测试275.1 Modelsim功能仿真275.2 实物功能测试功能295.2.1 Quartus II295.2.2 实物的测试31结论33致谢34参考文献3
12、5附录1：Quartus II综合的功能结构图36附录2：源程序37附录3：英文原文54附录4：中文译文62北方民族大学学士学位论文 基于FPGA的数字滤波器设计前 言随着数字信号处理理论的快速发展和数字信号处理器的产生，信号处理的面貌彻底改变了，并广泛应用在各个领域，而且对系统的实时信号处理要求越来越高，所以对滤波器的处理速度，宽带等性能要求也不断地要提高，即滤波器的好坏直接影响系统的稳定性和后续的处理。根据单位脉冲响应的不同，数字滤波器进一步又分为有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器两大类，如果在相同的设计要求下，IIR方式滤波器的计算量比较少，但线性相位响应不是很理
13、想，并且系统也不稳定，FIR方式的滤波器计算工作量比较大，但是能设计任意幅频特性的滤波器，并且保证了良好的线性相位特性和稳定的系统，所以研究FIR滤波器技术具有及其重要的意义。如今FPGA成为数字信号处理系统的主流器件，尤其是在数字通信、网络、视频和图像处理等相关的领域。现在的FPGA芯片不仅包含查找表、寄存器、多路复用器和分布式块存储器结构，而且还嵌入了专用的快速加法器、乘法器和输入与输出设备等。FPGA芯片高速并行的运算能力非常强具，因而它就顺其自然的成为高性能数字信号处理的理想器件。数字滤波器在FPGA中实现的方法不同对所耗FPGA的资源就不同，而且对滤波器的性能影响也有很大。其中有限脉
14、冲响应（FIR）滤波器能设计任意幅频特性的同时还能保证严格的相位关系。在语音等数据传送中得到广泛应用。对于信号的处理实现一般分为两大类，一类是软件实现，使用一些高级的语言MATLAB,C/C+等，可以在计算机上实现，它主要用于数学的处理和相关的仿真，但实时性差。另一种就是硬件实现，目前硬件的实现的方式为：可编程DSP芯片是实现，但由于固定的硬件结构和流水等级，在应用上有一定的限制，并且就同一公司的不同系列的DSP芯片，编程指令也会有所不同，大大提高了开发周期；采用专用的集成电路ASIC来实现，它体积小保密性好，性能高，灵活性极差，开发成本高；采用可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）它具有灵活的
15、可编程逻辑，信号处理实时性好，开发周期短与开发成本低的优点。33第1章 系统总的设计1.1 系统设计任务与要求1.1.1 系统设计任务本设计中的数字滤波器，采用Altera公司Cyclone2系列的EP2C8Q208C8N芯片来实现。用AD9280对复合的低频和高频模拟信号进行采集，经过通过EP2C8Q208C8N进行处理滤掉高频模拟信号，最后通过DA9708输出。图1-1为系统总方框图系统示意图。图1-1 系统示意图1.1.2 系统设计要求1、本文设计需要设计的数字滤波器的性能指标如下：a. 数字滤波器的类型：FIR低通滤波器。b. 输入输出数据的位宽：8位。c. 通带截止频率：0.1M。d. 采样频率：5M。e. 最小通带波纹：1dB。f. 最小阻带衰减：-50dB。2、根据设计指标要求，详细分析FIR低通滤波器设
