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1、本科生毕业设计（论文）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-2 FFT原理、讨论了按时间
2、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
3、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AbstractWith the rapid development of electronic and integrate circuit technology,digital signal processing has been widely applied in various field, like speechingand graphing processing, communication, multimedia. DFT plays
4、an important part in digital signal processing as a basic calculation. Especially, FFT algorithmreduces the calculation quantity when N is a little great, which makes it much easier for implement and application. It is strongly theory and real signification to research on the FFT algorithm and its m
5、ethod for design and its value cannot be computed.The paper mainly probes into the realization of digital signal processing based on FPGA.At first the fundamental theory of digital signal processing and the DFT algorithm are expounds, then radix-2 FFT and the characteristic of DIT FFT are discussed.
6、In this paper,the description method and style of hardware description language and its development environment MAX+PLUSII are detailed. On the basis of that,the high level design method of integrated digital system and the partition of disign level of digital system are discussed, the top-down desi
7、gn strategy and the high level synthesis method of digital system are also detailed. After doing that, the paper points out the universal architectures of the high-speed real-time signal processing system and describes how to implement them. Since FFT plays an important role in digital signal proces
8、sing, implementing FFT with FPGA is presented and the total realization graph is designed. For improving speed and decreasing computing complexity, high efficiency multiplier algorithm is used to realizing twiddle factor multiplier of butterfly processing unit.Key words：Digital Signal Processing;VHD
9、L;FPGA;FFT Algorithm目 录第1章 绪 论11.1 数字信号处理概述11.2 FPGA简介21.3 FFT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92.2.1 FFT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+PLUS平台143.1 硬件描述语言（HDL）143.1.1 HDL概述143.1.2 HDL设计方法14
10、3.2 VHDL语言163.2.1 VHDL语言简介163.2.2 VHDL的优点163.2.3 VHDL设计特点173.2.4 VHDL基本设计流程183.2.5 VHDL设计单元模型183.2.6 VHDL语言中顺序执行语句和并行执行语句223.3 VHDL语言开发环境MAX+PLUS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284.2.1 FFT处理器的实现框图284.2.2 复数乘法器的实现294.2.3 蝶形运算单元的实现314.2.4 数据存储单元RAM的实现324.2.5 旋转因子存储器ROM
11、的实现334.2.6 控制单元的设计344.3 小结34第5章 结 论35参考文献37致 谢39附录40IV第1章 绪 论1.1 数字信号处理概述数字信号处理是利用计算机或专专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合需要的信号形式。数字信号处理技术的实质就是将模拟信号或我们现实生活中的一些信号转化为数字信号并对转换后的数字信号进行相应的处理。字信号处理是从20世纪60年代以来，随着信息科学和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。70年代以来，随着电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理得到
12、了飞速的发展，它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。图1.1给出了数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号变换为数字信号，经数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。其中抗混叠滤波器的作用，是将输入信号中高于折叠频率（其值等于采样频率的一半）的分量滤除，以防信号频谱的混叠。随后，信号经采样和A/D变换后，变成数字信号。数字信号处理器对进行处理，得到输出数字信号，经D/A变换器转换成模拟信号，此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输出平滑的模拟信号。抗混叠滤波器A/D变换器数字信号处理器D/A变换器低通滤波器图1.1 数字信号处理系统简化框图数字信号处理与模拟信号处理相比具有如下优
13、点：1.数字信号在处理过程中更加稳定数字信号参数不象模拟信号参数那样容易受电阻、电容、运算放大器或是温度变化的影响。一个数字系统也很少受器件使用时间的影响，所以数字系统要比模拟系统稳定得多。这保证了应用系统的稳定性以及较长的使用寿命。2.数字信号处理系统的可预见性当一个数字信号处理系统设计完成后，我们可以通过仿真或是其它手段直接看到结果，而且这与最终应用中出现的情况是一样的：同时，所有拷贝的数字信号处理系统间是没有性能差别的。3.特殊功能数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应，还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。4.性和可编程能力数字信号处理具有极
14、强的适应能力，可以在多种领域内应用。同时，数字信号处理的设计也相对简单，并且可以根据不同的应用迅速对设计进行改进或重新设计。5.成本低廉数字信号处理器多通过超大规模集成电路实现，相对使用大量的模拟器件完成同一任务来讲，数字信号处理器的成本是很低的。由于数字信号处理具有以上优点，数字信号处理在现实生活中得到了广泛的应用。目前，数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、语音合成、图像处理、多媒体技术、高清晰度电视、数字音响、以及机器人等各个领域。1.2 FPGA简介可编程逻辑阵列器件是可以由用户进行编程以实现所需逻辑功能的数字集成电路，利用其内部的逻辑结构实现任何布尔表达式、寄存器函数。和一般的ASI
15、C电路相比，可编程逻辑阵列器件具有设计周期短，修改方便的优点。现场可编程门阵列FPGA是八十年代中期出现的新型高密度可编程逻辑器件，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。通过编程可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路，因而大大加快电子产品的研发周期，降低研发成本，缩短产品上市时间。FPGA具有高密度（一个器件内部可用逻辑门可达数万门），运行速度快（管脚间的延时小，仅几个）的特点。用它来设计数字电路可以简化系统设计，缩小数据规模，提高系统的稳定性。ALTERA公司的FPGA器件FLEX 10K 器件内含随机静态存储器，方便数据的暂时存储。FPGA兼有串、并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，同时，在基于芯片的设计中可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能指标和可靠性。正是由于FPGA具有这些优点，FPGA在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。FPGA的高可靠性还表现在，几乎可将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了体积。与AMU设计相比，FPGA显著的优势是开发周期短，投资风险小、产品上市速度快，市
