基于FPGA实现线性FIR数字滤波器.doc

PAGE PAGE 29 摘 要 在宽带信号处理中，常常利用目标回波的频谱特性进行目标检测和分类，为了保证其准确性，对接收到的回波必须进行频谱分析。实际上常用的方法是通过滤波器组进行处理的。因此在设计上采用同一结构的FIR滤波器，通过调整参数实现不同频率段的滤波。 根据FIR滤波器可以很方便地实现线性相位的特性和稳定性在设计中提出了一种采用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现线性FIR数字滤波器，利用分布式算法的并行处理的高效的特点，对于在FPGA中实现FIR滤波器的关键——乘加运算，给出将乘加转化为查找表结构实现乘法器，并利用多级流水线方式实现运算。降低了对查找表的存储容量的需求，并且不影响系统的速度。用VHDL语言编写了程序。 关键词：有限冲击响应滤波器 ，现场可编程门阵列器件，查找表 ，分布式 ，流水线 目 录 一.绪言1 1.1课题背景1 1.2课题研究的目的和意义2 二.滤波器设计原理3 2.1滤波器的基本概念3 2.1.1滤波原理 3 2.1.2滤波器的分类4 2.1.3数字滤波器结构的表示方法5 2.2 有限冲击响应(FIR)滤波器的基本概念6 2.2.1有限冲击响应(FIR)滤波器的特点6 三.FIR数字滤波器的设计思路8 3.1 线性相位FIR滤波器特点8 3.1.1单位冲击响应h(n)的特点8 3.1.2 线形相位的条件8 3.2.线性相位FIR滤波器的设计9 3.2.1 设计基础9 3.2.2流水线技术的应用9 3.2.3分布式算法的运用10 3.2.4采用查找表结构11 3.2.5采用FPGA来实现13 四.系统的设计与实现15 4.1滤波器的设计指标15 4.2 系统具体实现步骤15 4.2.1计算FIR数字滤波器的滤波系数15 4.2.2 FIR数字滤波器的VHDL实现18 4.2.2.1 概要19 4.2.2.2详细说明20 4.2.2.3输出数据分析28 五.总结29 六.参考文献29 一.绪 言 1.1课题背景 信号处理的内容含滤波、均衡、放大、噪声消除、信号产生、检测、运算和参量提取等许多方面。 数字信号处理是采用数值计算的方法，完成对信号的处理，而模拟信号处理则是通过一些模拟器件，例如晶体管、电阻、电容、电感等，完成对信号的处理。当然可以在系统中增加数模转换器和模数转换器，这样数字信号处理系统也可以处理模拟信号模拟系统也可以处理数字信号。但是随着计算机的普及，有人认为目前已成为数字万能的时代了。我们知道，作为一次信息源，或称原始信号源，多半产生如语音、图像等模拟信号。它的重要性今后也不会改变。考虑到这一事实，以及由于数字计算机和大规模集成电路(LSI)的发展，就产生了模拟信号的数字处理的设想，从而形成了一套完整的数字信号处理技术理论，开发出各种系统，这在技术发展史上也可以说是必然的。 数字信号处理技术是以数字滤波器和快速傅立叶变换(FFT)为核心的。数字信号处理技术的应用涉及到很广的范围。20世纪60年代主要是用于研究语言信号，当时只是按照语言信号分析与合成的需要来制作模拟滤波器，在规模上和灵活性方面都存在着缺点。为此，广泛采用计算机模拟的方法作为语言信号处理的研究手段。与此同时，像研究如何用离散系统来代替人们所熟悉滤波器传递函数那样，对数字信号处理的理论进行研究也很活跃。1965年FFT算法的发展对促进数字信号处理的发展起了决定性的作用。20世纪60年代末，有关数字信号处理的论文数量达到了高峰，但处理方法并不像模拟滤波器那样以硬件形式出现，而是以软件形式出现的。并不是研究人员不想用硬件实现数字滤波器只是直到20世纪70年代LSI技术得到了发展，才使得用硬件实现数字滤波器成为可能。 数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特征。 1.2课题研究的目的和意义 目前FIR滤波器的实现方法有三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件实现。单片通用数字滤波器使用方便，但由于字长和阶数的规格较少，不能完全满足实际需要。使用DSP器件实现虽然简单，但由于程序顺序执行，执行速度必然不快。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好。但长期以来，FPGA一直被用于系统逻辑或时序控制上，很少有信号处理方面的应用，其原因主要是因为在FPGA中缺乏实现乘法运算的有效结构。现在这个问题得到了解决，使FPGA在数字信号处理方面有了长足的发展。，它们可以用较小的代价和与