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1、 . 学士论文基于FPGA的FIR数字滤波器设计摘 要随着公元的第二十一个世纪的到来，今天我们进入了一个科技日新月异的时代。在现代电子数字系统中，滤波器都以一个不可缺少的身份出现。其中，FIR数字滤波器又以其良好的线性特性被广泛和有针对性的大量使用。众所周知，灵活性和实时性是工程实践中对数字信号处理的基本要求。在以往使用的各种滤波器技术中，不难发现有许许多多的问题。但是，随着现代计算机技术在滤波问题上的飞跃，派生出一个全新的分支数字滤波器。利用可编程逻辑器件和EDA技术，使用FPGA来实现FIR滤波器，可以同时兼顾实时性和灵活性。基于FPGA的FIR数字滤波器的研究势在必行。本论文讨论基于FP
2、GA的FIR数字滤波器设计，针对该毕业设计要做的基本工作有如下几点：（一）掌握有限冲击响应FIR（Finite Impulse Response， FIR）的基本结构，研究现有的实现方法。对各种方案和步骤进行比较和论证分析，然后针对目前FIR数字滤波器需要的特点，速度快和硬件规模小，作为指导思想进行设计计算。（二）基于硬件FPGA的特点，利用Matlab软件以与窗函数法设计滤波器。对整个FPGA元件，计划采用模块化、层次化设计思想，从而对各个部分功能进行更为详细的理解和分工设计。最终FIR数字滤波器的设计语言选择VHDL硬件编程语言。（三）设计中的软件仿真使用Altera公司的综合性PLD开发
3、软件Quartus II，并且利用Matlab工具进行对比仿真，在仿真的过程中，对比证明，本论文设计的滤波器的技术指标已经全部达标。关键词：数字滤波器 Matlab 可编程逻辑元件 模块化算法 Based On FPGA Design Of FIR Digital FiltersMajor：Electronic And Information EngineeringDepartment（Information Engineering）AbstractAs we have entered the twenty first century， our technology is changing c
4、ontinuously with the times. In the modern electronic digital systems， filters are indispensable. Among them， the FIR digital filters are widely used with the excellent linear characteristic. As is well-known to us all， flexibility and real-time quality are the basic requirements in digital signal pr
5、ocessing of engineering practice. Since we have used a variety of filter technology in the past， it is not difficult for us to find many problems in it. Moreover， with the development of modern computer technology in filter， a new branch - digital filter has derived. We make use of the programmable
6、logic devices and EDA technology， together with the FPGA to design the FIR filter， which is real-time and flexible. In a nutshell， it is imperative to do the research in the FIR digital filters based on the technology of FPGA.This thesis is focused on the design of the FIR digital filters based on t
7、he technology of FPGA. Several points are worth mentioning here:(1)To understand and master the basic structure of the limited shock Response FIR (Finite Impulse Response， FIR)， research existing realization method，to use various solutions to compare and analyze the steps and demonstrations; then， t
8、o do the self design and correction concerning the characteristics of the present FIR digital filters， that is， fast in speed and small scale in hardware. (2) To design FIR filter based on the characteristics of FPGA hardware. In the design process， ready to use of Matlab software and window functio
9、n method design filter. As far as the whole FPGA components are concerned， we plan to carry on the modularized and hierarchic design， in order to have a more detailed understanding of the function of each part and make a division of design. Eventually， FIR digital filters will adopt the VHDL hardwar
10、e programming language.(3) To adopt the comprehensive PLD development software Quartus II of the Altera company in the design of the software simulation. And we will use of the Matlab tools for the simulation 。In the simulation process， contrast our filter technology index whether you have all the s
11、tandards， and filtering whether the result is ideal.Keywords: digital filter， Matlab， programmable logic devices， Modular Algorithm目 录 1绪论11.1本课题研究意义11.2国外研究现状分析11.3研究思路11.4相关概念说明12 FIR数字滤波器的设计方法42.1理论部分42.1.1引言42.1.2 FIR数字滤波器的基础42.1.3数字滤波器的设计原理62.1.4 FIR数字滤波器的理论计算方式与参数转换思想:72.1.5 Matlab直接FDAtool设计方
12、式解析132.1.6 FDAtool设计模板与设计结果图162.2程序分析部分162.2.1FPGA 可编程逻辑元件介绍162.2.2 Quartus与Verilog HDL介绍182.2.3实际滤波器程序设计（11阶FIR数字滤波器）192.2.4.VerilogHDL的实现203滤波器仿真滤波283.1设置混合信号283.2设置仿真参数313.3 仿真总结334 总结与展望334.1 设计成果总结334.2 设计心得33参考文献35致36 / 1绪 论1.1本课题研究意义在现代通信信号处理领域中，随着各种精密计算和快速计算的发展对信号处理的实时性、快速性的要求越来越高。以往的模拟滤波器无法
13、克服电压漂移、温度漂移和噪声等问题，从而带来了许多误差和不稳定因素。而数字滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等突出优点。FPGA元器件在高速并行处理和数据传输中有独特优势，FPGA正在前端信号处理中越来越多地代替ASIC和DSP。我们需要的就是这种设计周期短，功能密度高，重组时间短的元器件。本文在FPGA元器件的基础上，实现现代FIR数字滤波器功能。并且研究多种快速的FIR数字滤波器的理论设计思想和程序设计方法。1.2国外研究现状分析1985年XilinX公司生产出了第一块FPGA元器件，由于它有着集成度高、方便易用、开发和上市周期短的绝对优势，使得FPGA器件在数字设计和电子生产
14、中得到迅速普与和应用，发展潜力十分巨大。现在FPGA已经发展到可以利用硬件乘加器、片储存器、逻辑单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT 、FIR 、复数乘加、卷积、三角函数以与矩阵运算等数字信号处理。这样可以完成信号处理的主要技术，如中频采样、参数估计、自适应滤波、脉冲压缩、自适应波束形成和旁瓣对消等。1.3研究思路通过对目前数字滤波器的几种实现方法的简单分析，本文认为基于FPGA的数字滤波器具有许多优点，本文考虑到信息技术的发展对于数字滤波器的要求越来越高，而目前FIR数字滤波器的性能还不完善，于是选择了基于FPGA的数字滤波器作为主要研究容，通常滤波器在进行数据处理时用到了卷积
15、运算，在设计中的解决这些乘法运算的思路是将它们转换成加减法，这是目前解决乘法运算的主流思想。设计初期在Matlab下对滤波器原理进行证明包括（零极点图、时域和频域分析图等），分析FIR数字滤波器的多种理论设计思想和窗函数选择方法，在设计后期对FIR数字滤波器的小数乘法问题进行单独论证。然后对分析出来的问题进行论证和解决，最后在QUARTUS中进行仿真验证。1.4相关概念说明数字滤波器（Digital filter)是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。可认为是一个离散时间系统按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置FIR（Finite Impulse Response ）由线性系统理论可知，在某种适度条件下，输入到线性系统的一个冲击完全可以表征系统。当我们处理有限的离散数据时，线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的。若线性系统仅是一个空间滤波器，则通过简单地观察它对冲击的响应，我们就可以完全确定该滤波器。通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（FIR)滤波器。图1-1总体设计流程图2 FIR数字滤波器的设计方法2.1理论部分2.1.1引言
