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1、吉 林 农 业 大 学本 科 毕 业 设 计题目名称：基于FPGA的IIR数字滤波器 学生姓名： 王伟 （12093223） 院 系：信息技术学院 专业年级：09级电子信息科学与技术指导教师： 郭颖 职 称： 讲师 2013 年 4 月 24目 录1 序 言11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外发展现状11.3 IIR数字滤波器概念31.4 IIR数字滤波器的原理31.5 IIR数字滤波器的设计方法41.5.1 IIR数字滤波器的模拟转换设计法41.5.2 IIR数字滤波器的零极点累试法41.5.3 优化设计法51.6 IIR数字滤波器的硬件实现方案51.6.1.方案一：直接相乘累加式
2、51.6.2.方案二：基于ROM查表法的VHDL结构化设计61.6.3 方案三：基于ROM查表法的改进型设计72 EDA技术和可编程逻辑器件92.1 电子设计自动化EDA技术92. 2 可编程逻辑器件92.2.1 可编程逻辑器件简介92.2.2 使用FPGA器件进行开发的优点92.2.3 FPGA设计的开发流程102.3 硬件描述语言VHDL及数字系统设计方法112.3.1 硬件描述语言VHDL简介112.3.2 利用VHDL设计数字系统113 IIR数字滤波器的设计与仿真结果分析113.1 各模块的设计与仿真结果分析113.1.1 时序控制模块的设计与仿真结果分析123.1.2 延时模块的设
3、计与仿真结果分析123.1.3 补码乘加模块的设计与仿真结果分析133.1.4 累加模块的设计与仿真结果分析153.1.5 顶层模块设计153.2 IIR数字滤波器的仿真与结果分析163.2.1 IIR数字滤波器的系统设计163.2.2 IIR数字滤波器的系统仿真与结果分析173.2.3 高阶IIR数字滤波器的实现19参考文献21致 谢22附 录23 III 基于FPGA的IIR滤波器设计姓 名：王伟专 业：电子信息科学与技术指导教师：郭颖摘 要:数字信号处理在科学和工程技术许多领域中得到广泛的应用，与FIR数字滤波器相比，IIR数字滤波器可以用较低的阶数获得较高的选择性，故本课题采用一种基于
4、FPGA的IIR数字滤波器的设计方案,首先分析了IIR数字滤波器的原理及设计方法，然后通过MAX+PLUS的设计平台，采用自顶向下的模块化设计思想将整个IIR数字滤波器分为：时序控制、延时、补码乘加和累加四个功能模块。分别对各模块采用VHDL进行描述后，进行了仿真和综合。仿真结果表明，本课题所设计的IIR数字滤波器运算速度较快,系数改变灵活，有较好的参考价值。关键词：电子设计自动化，IIR数字滤波器，现场可编程门阵列，硬件描述语言The design for IIR digital filter based on FPGAName：Wangwei Major：Electronic inform
5、ation science and technologyTutor：GuoYingAbstract: Digital signal processing is widely used in lots of fields, such as in science and project technique. Compared with FIR digital filter, IIR digital filter can get high selectivity with low factorial. A kind of IIR digital filter design method was in
6、troduced in the paper, which is based on FPGA. By used the design plant of MAX+PLUS, we adopt blocking method named “Top-down ” and divide the entire IIR digital filter into four blocks, which are Clock control, Time delay, Multiply-addition and Progression. After described with VHDL, we do emulate
7、and synthesis to each block. The result shows that, the introduced IIR digital filter runs fast, and the coefficient changes agility. It has high worth for consulting.Keywords: Electronic design automation, IIR digital filter, FPGA, the hardware description language I1 序 言随着EDA技术的发展和应用领域的扩大和深入，EDA技术
8、在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。这些技术的使用使得现代电子产品的体积减小、性能增强、集成化程度提高，与此同时其可编程能力也得以提高。在使用EDA进行电子设计时，设计人员可按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，采用硬件描述语言（DHL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件1。VHDL语言是EDA设计中常用的一种IEEE标准语言，其具有覆盖面广、描述能力强、可读性好、支持大规模设计及逻辑单元利用等优点，因此受到越来越多的电子工程师的青睐2。本次设计采用EDA技术中的模块化设计思想，就IIR数字滤波器中的一些关键电路进行设
9、计,主要内容包括：时序控制模块、延时模块、补码乘加模块、累加模块和IIR数字滤波器的顶层设计。分别对各模块采用VHDL进行描述后，进行了仿真和综合，取得了较好的设计效果。实验结果表明，本课题所设计的IIR数字滤波器具有运算速度快,系数改变灵活方便等特点。1.1 课题研究的背景和意义 数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之一，具有模拟滤波器所无法替代的新特性，因此在通信、语音与图像处理、自动控制等领域有着广泛的应用，它对于降低噪声、提高信噪比及信号的频谱纯度等方面有着重要的意义。数字滤波器根据单位脉冲响应的不同，可分为FIR(有限长脉冲响应)滤波器和IIR(无限长脉冲响应)滤波器，FI
10、R优点在于具有良好的相位特性，IIR优点在于具有良好的幅频特性，可以根据不同的系统性能要求选择不同的滤波器。IIR滤波器以较少的阶数即可完成FIR滤波器需较多阶数的幅频特性；在对线性相位不做特别要求的情况下，IIR滤波器在相同门级规模和同频率速度下可得到更好的带外衰减特性，因此IIR滤波器更广泛地应用于一些特殊场合3。数字滤波器是今后信号处理系统的滤波器主流器件，将在更多的数字信号处理应用领域得到广泛应用。本文研究基于FPGA设计稳定的IIR数字滤波器的相关理论、设计方法及仿真。1.2 国内外发展现状目前，数字滤波器的实现可以采用两种方法：软件实现和硬件实现。软件实现即是在通用的微型计算机上用
11、软件来实现。利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，软件可由使用者自己编写，也可使用现成的。国内外的研究机构、公司已经推出了不同语言的信号滤波处理软件包，但这种方法速度较慢，难以对信号进行实时处理，虽然可以用快速傅立叶变换算法来加快计算速度，但要达到实时处理要付出很高的代价，因而多用于教学与科研。硬件实现即是设计专用的数字滤波硬件，目前主要采用MCU(单片机)、DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)来实现。其中，单片机速度较慢；ASIC虽然性能良好，但通常是为专门限定的某一或某几个特定功能而设计，灵活性差；软件编程的通用数字信号处理芯片(如
12、TMS320CXX)是目前应用较广的一种方法。DSP处理器实质上是一种适用于数字信号处理的单片微处理器，其主要特点是灵活性大，适应性强，具有可编程功能且处理速度较高。近年来，由于多媒体技术和无线通信的发展对DSP应用的要求不断地增长，这些应用对信号处理要求高，需要采用处理速度高的硬件来实现DSP，所以，随着CMOS工艺的线宽不断缩小，从研制高性能的DSP专用芯片一DSP处理器，直到近年来可以在单片机上集成DSP的应用，持续地推动了LSI DSP这一领域的发展。但是，采用DSP处理器的解决方案日益面临着不断增加的巨大挑战，而自身的技术瓶颈(如：运行速度、吞吐量、总线结构的可变性、系统的可重构配置
13、性、硬件可升级性等等)致使这种解决方案在DSP的许多新的应用领域中的道路越来越窄4。例如，软件无线电的概念在10年前就已经提出，并付诸研究和实现，仅其领域中的数字信号处理的等效速度也需达50GIPS，然而到目前为止，最快的DSP处理器，如1rI的C6X系列也没能超过5GIPS，至于现在最常用的TMS320C54X系列，也只有01GIPS。不言而喻，在许多应用领域，以DSP处理器为核心的DSP系统具有很大的局限性。FPGA在器件密度、处理速度等达到片上系统的要求后，它所具有的系统内可重构的特性成为实现DSP应用的优选方案之一。在许多诸如实时图像处理、联合战术无线电通信系统、3G移动通信基站、实时
14、工控系统、卫星导航设备等领域中，FPGA的DSP解决方案为数字信号处理开创了新的领域，使得构造的数字信号处理系统能够保持基于软件解决方案的灵活性又能接近ASIC的性能5。国外有许多院校和科研机构在研究基于FPGA的DSP应用，比较突出的有Denmark大学的研究小组正在从事FPGA实现数字滤波器的研究，由于FPGA实现乘法器困难，因此，他们重点研究开发无乘法的滤波器算法。加州大学洛杉机分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一种视频通讯系统，该系统用一片FPGA可每帧重构四次完成视频图像压缩和传送的操作。此外，他们还在进行Mojave项目的开发工作，力图采用运行时重构技术来实现自动目标识别应用。
15、我国的DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA信号处理和系统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究，如西北工业大学和国防科技大学ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用FPGA提高加解密运算的速度等等。现在，可编程逻辑器件在密度、性能和功耗上都有显著的进步，为数字信号处理开创了新的领域，使得构造的数字信号处理系统能够保持基于软件的解决方案的灵活性，又能够接近ASIC的性能。FPGA内部的功能块中的SRAM查找表(Look Up Table，LUT)构成函数发生器，这种结构特别适用于并行处理结构，如分布式算法，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行度和可扩展性都很好，它逐渐成为构造可编程的高性能
