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1、邯郸学院本科毕业论文题 目 基于FPGA的IIR滤波器设计作 者 指导教师副教授年 级 2007级专 业 电子信息工程二级学院 信息工程学院邯郸学院信息工程学院2011年5月郑重声明本人的毕业论文（设计）是在指导教师郭红俊的指导下独立撰写完成的。毕业论文（设计）没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者（签名）： 年 月 日摘 要 在现代电子系统中，可编程逻辑器件和EDA技术得到了飞速发展。基于FPGA的信号处理器在科学和工程技术等许多领域中得到了广泛的应用，其中现代数
2、字信号处理系统的重要组成部分是数字滤波器。无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器是非常重要的一类滤波器，与有限长单位冲激响应（FIR）数字滤波器相比，IIR能够以较低的阶次获得较高的频率选择特性从而得到了广泛的应用。本论文采用一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的IIR数字滤波器的设计方案。首先从速度和资源方面研究DSP算法中的加法器、乘法器、乘累加器，并讨论了基于IIR数字滤波器的相关理论知识。研究了IIR数字滤波器的常用设计方法，并分析了各种IIR数字滤波器的实现结构等基本理论，由分析结果确定了所要设计的IIR数字滤波器的实现结构。然后基于FPGA的结构特点，研究了IIR数字滤波器的FPG
3、A设计与实现，并通过Quartus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。分别对各模块进行VHDL语言描述，并进行了仿真和综合。仿真结果表明，本设计的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 数字滤波器 无限长单位冲激响应 现场可编程门阵列 VHDL硬件描述语言Based on the FPGA IIR filter developmentMa Xiaohong Directed by Prof. Guo HongjunAbstract In the modern eletrical syate
4、m,PLD device and EDA technology are developed,the signal processor based on FPGAs have been applied to lots of field,such as in science and project technique. one of the important contents of digital signal process is digital filter, Infiinite impulse response units (IIR) digital filter is a very im
5、portant type of filters. With its good characteristic of frequency selection in lower order in comparison with finite impulse response (FIR), IIR digital filter is widely applied in modern signal processing systems. This subject is a IIR digital filter design based on the using of field programmable
6、 gate array (FPGA). Firstly, based on the analysis of IIR basic realization architectures and the related theoretic analysis, the design methods of IIR sigital filter has been discussed and the structures of a variety of IIR digital filter which can be realized has been analysised. For the results o
7、f the theoretical analysis, the final architecture and realization of IIR digital has been decided, Based on the structural characteristics of FPGA, the FPGA design and realization of IIR digital filter has been researched. By used the design plant of Quartus , we adopt blocking method named “Top-do
8、wn ” 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 and synthesis to each block. The result shows that, the introduced IIR digital filter runs fast, and the coefficient changes
9、 agility. It has high worth for consulting.Key words Digital filter infinite impulse response units field programmable gate array VHDL hardware description languageII目 录摘 要I外文页II1 序言12 选题背景12.1课题来源12.2课题的目的和意义13 IIR数字滤波器及其硬件实现方法23.1 IIR数字滤波器概念23.1.1 IIR数字滤波器的原理23.1.2 IIR数字滤波器的基本结构23.1.3 IIR数字滤波器的设计方
10、法23.2 IIR数字滤波器的硬件实现方案34 EDA技术和可编程逻辑器件64.1 电子设计自动化EDA技术64.2 可编程逻辑器件64.2.1可编程逻辑器件简介64.2.2使用FPGA器件进行开发的优点64.2.3 FPGA设计的开发流程74.3 硬件描述语言VHDL及数字系统设计方法74.3.1 硬件描述语言VHDL简介74.3.2利用VHDL设计数字系统75 IIR数字滤波器的设计与仿真结果分析75.1 各模块的设计与仿真结果分析75.1.1 时序控制模块的设计与仿真结果分析85.1.2 延时模块的设计与仿真结果分析85.1.3 补码乘加模块的设计与仿真结果分析95.1.4 累加模块的设
11、计与仿真结果分析105.1.5 顶层模块设计115.2 IIR数字滤波器的仿真与结果分析115.2.1 IIR数字滤波器的系统设计115.2.2 IIR数字滤波器的系统仿真与结果分析125.2.3 高阶IIR数字滤波器的实现13参考文献14致 谢15附录16基于FPGA的IIR滤波器设计1 序言随着EDA技术的发展和应用领域的扩大和深入，EDA技术在电子信息、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
12、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。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。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。2 选题背景2.1课题来源有教师提供课题。2.2课题的目的和意义电子技术中全新的数字
13、信号处理技术已经替代了传统的信号处理技术，实现了模拟技术向数字技术的过度，由于DSP的运用是的越来越多烦人高性能电子产品得以实现。随着信息技术的不断发展，新的信号处理的理论和技术不断涌现，信息科学和技术研究的核心内容重要是信号的获取、传输和处理、识别及综合等，那么数字信号处理就成为一门及其重要的学科和技术，它被应用到了很多领域，如通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗等。数字信号处理不仅实现了高速度，而且具有较强的灵活性，提高了设备的实用性，降低了成本，缩短了开发时间。现场可编程门阵列FPGA是1985年Xilinx公司推出的，与复杂可编程器件（CPLD）相比，FPGA的结构与
14、掩膜可编程门阵列（MPGA）,由许多独立的可编程模块组成，通过编程将多个模块连接起来实现不同的设计。FPGA技术具有现场可编程、现场修改、现场验证、现场实现的应用优势，FPGA具备了MPGA和CPLD两者的优点，具有更强的逻辑实现能力、更高的集成度和更好的设计灵活性。数字信号处理技术中最重要的是数字滤波器，数字滤波器是一个离散系统，该系统能对输入的离散信号进行处理，通过一定的运算关系改变输入信号的频率成分的相对比例或是滤除某些频率成分，提取和加强信号中的有用成分，消弱无用的干扰成分，从而获取所需的有用信息。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有精度高、可靠性高、灵活性好、易于大规模集成等特点。数字滤
15、波器主要有有限冲击响应数字滤波器（Finite Impulse Response,FIR）和无限冲击响应数字滤波器（Infinite Impuse Response,IIR）两种。与FIR滤波器相比，在相同指标下IIR滤波器能用较低的阶数满足较高的要求，主要原因是IIR滤波器具有反馈系统，并且能够更好的通带和阻带衰减特性。用FPGA来实现IIR滤波器是一种新的解决方案，EDA技术和DSP技术是现代电子技术发展的产物，对于数字信号处理是具有领先和实际意义，在传统的DSP技术存在的诸多技术瓶颈问题，它都能克服，在许多方面显示出很多优势，如高可靠性，高速与实时性，自主知识产权化，尤其系统的重配置与硬件重构性，单片DSP系统的可实现性以及开发技术的标准化和高效率等。IIR数字滤波器在信号处理中有着广泛的应用，基于FPGA的IIR数字滤波器体现电子系统的微型化和单片化，将数字信号处理与FPGA结合，无论在理论研究上还在通讯、HDTV（高清晰度电视）、雷达、图像处理数字音频等实际应用上都有着美好的技术前景和巨大的实用价值。3 IIR数字滤波器及其硬件实现方法3.1
