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1、毕 业 论 文（设计）题 目：基于VHDL的快速信号处理器实现学 号：xxxxxxxxxxxxxxxxxx 姓 名：xxxxxxxxxxx 年 级：2007级 学 院：信息科学技术学院 系 别：电子信息工程系 专 业：电子信息工程专业 指导教师：xxxxxxx 完成日期：20xx年 05 月 05日 44摘 要 随着数字电子技术的快速发展，数字信号处理技术及理论广泛应用于通信、语音处理、图像处理、雷达信号处理、计算机和多媒体等领域。随着可编程逻辑器的发展，使得电子设计的规模和集成度大幅度提高。在不同应用场合使用不同性能的FFT处理器。 FPGA(Field Programmable Gate
2、Array)即现场可编程门阵列，是大规模可编程逻辑器件。由于FPGA在速度和集成度方面的飞速提高，使得利用硬件来实现数字信号处理找到了新的方法。FPGA使用可编程的查找表（Look Up Table,LUT)结构，用静态随机存储器SRAM构成逻辑函数发生器，采用FPGA技术可以提高元器件的优质利用性可以降低设计风险，减少资金投入，缩短研发周期，且能够并行处理数据，容易实现流水线结构，而且升级简便，提高了设计的灵活性，再加上VHDL语言的灵活的描述方法以及与硬件无关的特点，所有这些都非常适合实现FFT算法，使得使用VHDL语言基于FPGA实现FFT成为研究方向。FFT的硬件结构主要包括蝶形处理单
3、元、数据存储器RAM、控制模块、旋转因子存储器ROM、地址发生器。本文以8点复数、8位数据位宽为例进行设计与逻辑综合。采用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208C8实现该处理器,用Quartus II进行开发。关键词： 数字信号处理；FPGA;FFT算法；VHDL语言AbstractWith the rapid development of digital electronic technology, digital signal processing technology and theory has been widely used in communic
4、ations, voice processing, image processing, radar signal processing, computer and multimedia and so on. With the development of programmable logic devices, making the scale of electronic design and integration greatly improved. In different applications use different performance FFT processor.FPGA (
5、Field Programmable Gate Array) or field programmable gate array ,it is large-scale programmable logic devices. Owing to improvement of FPGAs speed and integration, its possible to realize digital signal processing by hardware. FPGA use look-up table(LUT) structure,with a static random access memory
6、SRAM constitutes a logic function generator,the using of FPGA technology can improve the using of high-quality components to reduce design risk,reduce capital investment,shorten the development cycle, and the ability to parallel processing of data, easy to implement pipeline structure.And easy to up
7、grade and improve design flexibility,coupled with the VHDL description of a flexible approach and hardware-independent features,all of which are very suitable for implementation of FFT algorithm,which make it to be a research problem that using VHDL achieves FFT based on FPGA.The hardware structure
8、including FFT butterfly processing unit, data memory RAM, the control module, the twiddle factor memory ROM, address generator. By a 8 point complex, 8-bit data bit wide as an example the design and logic synthesis. Using Alteras Cyclone II series FPGA chip EP2C8Q208C8 implement the processor to use
9、 Quartus II development software.Key words: Digital signal processing; FPGA; FFT algorithm; VHDL language目 录1 绪 论11.1 数字信号处理简介11.2 FFT算法简介21.3 FPGA结构及工作原理21 硬件描述语言及Quartus平台42.1 HDL概述42.2 VHDL语言简介42.3 VHDL的优点52.4 VHDL基本设计流程52.5 VHDL设计单元模型62.6 VHDL语言开发环境Quartus介绍93 数字信号处理的理论基础113.1傅里叶变换的几种形式113.2 离散傅
10、里叶变换算法123.3 FFT算法基本思想133.4 按时间抽取基-2 FFT算法（库利-图基算法）144 用FPGA实现数字信号处理的算法184.1 数字信号处理实现方法184.2 FFT算法在FPGA中的实现194.2.1 数据存储单元RAM的实现194.2.2 旋转因子存储器ROM的实现204.2.3 8位加法器设计204.2.4 8位乘法器设计224.2.5 地址产生单元234.2.6 控制单元设计244.3 总结23致谢26参考文献27附录281 绪 论1.1 数字信号处理简介数字信号处理(digital signal processing ,DSP)是从20世纪60年代随着信息科学
11、和计算机科学的快速发展而形成的一门新兴学科，它把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用(专用)信号处理设备，用数字的数值计算方法处理(如滤波、变换、压缩、增强、估计、识别等),达到提取有用信息的目的，并且在许多应用领域逐步代替的模拟信号处理系统。图1.1所表示的是模拟信号数字处理系统的方框图，抗混叠滤波器是一个低通滤波器。对模拟信号进行采样时遵循奈奎斯特采样定律，采样频率f2至少应大于或等于2倍分析信号的最高频率f1，即f2f1；否则可能出来因采样频率不够高，模拟信号的高频信号折叠到低频段出现“混叠现象”。因为我们研究的信号只在一定范围内才有实际意义，当然采样频率也不可能无限高也不需要无
12、限高。为解决频率混叠现象，对模拟信号采样前，用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的成份。经过抗混叠滤波器输出的模拟信号为X(t)，经过A/D变换器后输出的数字信号为X(n),经过数字信号处理器处理后输出的数字信号为Y(n),经过D/A变换器后输出的模拟信号为Y(t),再用低通滤波器滤除高频成份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 数字信号处理系统的简单方框图数字信号与模拟信号的比较： 1、时间和幅度上都是连续的信号称为模拟信号，时间和幅度上都是离散的信号称为数字信号。 2、数字信号抗干扰能力强，无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信
13、号传输过程中及时对误差的信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地对叠加上的噪声也被同时放大，使得信号在传输的过程中质量变得很差。 3、便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字信号通信加密处理比模拟信号通信容易得多。 4、便于存储、处理和交换。数字信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 5、设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器，设备中大部分是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。6、但占用频带较宽。一路模
14、拟电话的频带为4KHz带宽，一路数字电话约占64KHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因，但随着宽频带信道（如光缆）的大量使用，带宽已经不是大问题了。1.2 FFT算法简介快速傅里叶变换并不是一种新的变换，而是离散傅里叶变换(DFT)的一种快速算法。DFT有很多快速算法，大致可分为两类。一类是递归型算法，是将一维DFT转化为容易计算的二维或多维DFT,分裂基算法、基2、基4、基8、基16及任意组合因子等的组合数FFT算法，利用的周期性、对称性，使长序列的DFT分解为更小点数的DFT，减少运算量。另一类是将DFT转变为卷积，利用计算卷积的方法计算。FFT广泛应用在无线通信、语音识别、图像处理
15、和频谱分析等领域。在不同应用场合，需要不同性能要求的FFT处理器，特别是随着OFDM（正交频分复用）技术的出现，FFT作为OFDM系统中调制解调的关键。FFT的理论研究已经趋于成熟，但很多场合需要快速、高性能的FFT处理器，在综合考虑硬件特性和满足特定要求的情况下，对FFT处理器的流程、算法进行进一步的优化处理，使它的处理速度能有所提高。1.3 FPGA结构及工作原理可编程逻辑阵列器件由用户编程实现数字集成电路，与ASIC相比，可编程逻辑阵列器件具有设计周期短，硬件升级容易的优点。现场可编程门阵列FPGA是新型高密度可编程逻辑器件。通过编程可以把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的数字电路系统，加
