基于FPGA的數(shù)字濾波器設計開題報告(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上附件B：基于FPGA的數(shù)字濾波器設計畢業(yè)設計（論文）開題報告1.課題的目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析或設計方案比較、選型分析等）隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為當今一門極其重要的學科。數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。在數(shù)字信號處理應用中，數(shù)字濾波器顯得尤為重要。在很多應用場合，數(shù)字濾波器逐漸取代了模擬濾波器。數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號實現(xiàn)濾波的離散時間系統(tǒng)，它將輸入的數(shù)字序列通過特定運算轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧臄?shù)字序列。根據(jù)沖激響應函數(shù)的時域特性，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應II

2、R濾波器和有限長沖激響應FIR濾波器。數(shù)字濾波器一般由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種算法或裝置。它可用計算機軟件實現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實現(xiàn)。本文所述是基于FPGA的設計方法。模擬濾波器分為有源和無源的，有源濾波器主要由集成運放、電阻、電容構成。無源的濾波器主要由R,L,C構成1。其物理構成導致存在電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。模擬濾波器還存在一個嚴重的問題，當技術指標改變時，其常常要更換電容、電感等元件，相當繁瑣。相比于模擬濾波器，數(shù)字濾波器有以下優(yōu)點：數(shù)字濾波器對外界環(huán)境不太敏感，具有更高的可靠性；可以實現(xiàn)精確的線性相位和多速率處理等模擬濾波器無法實現(xiàn)的功能；提高字長，可以

3、實現(xiàn)任意精度的信號處理；數(shù)字濾波器實現(xiàn)更加靈活，并能同時進行信號的存儲2。FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點3。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（I

4、nterconnect）三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次

5、的編程。作為嵌入式系統(tǒng)的基礎元件之一，F(xiàn)PGA的面貌正日新月異：邏輯單元不斷增加、單位成本和功耗不斷降低,而根本的設計靈活性和快速轉(zhuǎn)換能力卻始終未變。在變與不變的共同推動下,FPGA的價值發(fā)生了變化,它已從純粹的建模工具發(fā)展成為適合中小批量生產(chǎn)的應用器件,而其應用也從早期的嵌入式通信系統(tǒng)擴展到了低成本的消費電子4。FPGA之所以越來越多地在嵌入式系統(tǒng)中得到應用,主要得益于它在低成本和低功耗兩方面均取得了很好的進步,從而能夠滿足OEM日益緊迫的上市周期、不斷縮減的成本結構和低功耗要求。數(shù)字濾波器常用的硬件實現(xiàn)方法有DSP、ASIC、FPGA三種。與FPGA比較，DSP順序執(zhí)行使其速度較慢，而AS

6、IC設計成本較高。采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波器具有實時性強、處理速度快、采樣率高以及小批量生產(chǎn)成本低等特點。2.課題任務、重點研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑等2.1課題任務：用matlab分析和仿真IIR和FIR數(shù)字濾波器，并用FPGA驗證所設計的數(shù)字濾波器的性能。要求學生熟悉數(shù)字信號處理的有關內(nèi)容，熟悉Verilog或VHDL語言，了解FPGA的開發(fā)過程；熟悉Xilinx FPGA設計的基本流程；熟悉VHDL語言編寫驅(qū)動程序；實現(xiàn)Xilinx ISE 對數(shù)字濾波器仿真2.2重點研究內(nèi)容：方案：IIR、FIR濾波器的結構電路設計：寄存器、加法器、乘法器。IIR、FIR濾波器整體電路電路仿真：正弦波的設計、正

7、弦波仿真5。FPGA實現(xiàn)IIR、FIR濾波器：A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路2.3實現(xiàn)途徑及研究思路：通過比較數(shù)字和模擬濾波器，數(shù)字濾波器的優(yōu)點明顯，分析比較三種濾波器的實現(xiàn)方法，F(xiàn)PGA的發(fā)展趨勢，以及濾波器技術指標，采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波器更加適合，故采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法6。分析和理解IIR、IFR濾波器結構。從結構上看，IIR濾波器采用遞歸結構，F(xiàn)IR濾波器采用非遞歸結構。IIR濾波器的基本網(wǎng)絡結構有直接型、級聯(lián)行和并聯(lián)型三種。FIR濾波器的基本網(wǎng)絡結構有直接型、級聯(lián)型、頻率采樣型和快速卷積型等7。在Matlab平臺下，通過編寫程序或者交互式FDATool和SPTool工具

8、設計IIR和FIR濾波器，并進行仿真。修改通帶邊界頻率、阻帶邊界頻率、通帶最大衰減阻帶最小衰減等參數(shù)，觀察對比濾波器響應的變化8。通常濾波器在進行數(shù)據(jù)處理時用到了卷積運算，在設計中解決這些乘法運算用分布式算法。分布式算法是一種以實現(xiàn)乘加運算為目的的運算方法,它與傳算法實現(xiàn)乘加運算的不同在于執(zhí)行部分積運算的先后順序不同。簡單地說,分布式算法在完成乘加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應位產(chǎn)生的部分積預先行相加形成相應部分積,然后再對各部分積進行累加形成最終結果,而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積產(chǎn)生之后再進行相加來完成乘加運算的。與傳統(tǒng)算法相比,分式算法可極大地減少硬件電路規(guī)模,很容易實現(xiàn)流水線處理,提高電路

9、的執(zhí)行度9。 在ISE平臺下，使用VHDL語言編寫設計程序，并且使用ISE仿真工具進行仿真、分析、校正。VHDL 語言具有強大的語言結構, 只需采用簡單明確的VHDL語言程序就可以描述十分復雜的硬件電路。同時, 它還具有多層次的電路設計描述功能。此外 ,VHDL 語言能夠同時支持同步電路、異步電路和隨機電路的設計實現(xiàn), 這是其他硬件描述語言所不能比擬的。VHDL 語言設計方法靈活多樣 , 既支持自頂向下的設計方式, 也支持自底向上的設計方法; 既支持模塊化設計方法, 也支持層次化設計方法。并且VHDL 語言具有多層次的電路設計描述功能 , 既可描述系統(tǒng)級電路 , 也可以描述門級電路 ; 描述方

10、式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結構描述 , 也可以采用三者的混合描述方式。同時,VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲, 這樣可以準確地建立硬件電路的模型。VHDL 語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型10。VHDL 語言既支持標準定義的數(shù)據(jù)類型, 也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型, 這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。下載驗證。2.4可能遇到的困難、問題及解決方案:困難：缺少對數(shù)字濾波器結構的理解；對數(shù)字濾波器的實現(xiàn)算法很難掌握；VHDL算法編程；ISE平臺的使用。解決：查閱相關書籍文獻資料或網(wǎng)絡資料； 真理解掌握、多做嘗試、向老師和同學請教。2.5參考文獻：1 黃振,楊士中.匹

11、配濾波器解擴方式及性能J.重慶大學學報(自然科學版)2002 25(1)：92-952 周奕.匹配濾波器多相實現(xiàn)J.電路與系統(tǒng)學報,2005,3(10)：132-1363 田耘,徐文波,張延偉.無線通信FPGA設計M.北京電子工業(yè)出版社,20084 王興亮.現(xiàn)代通信原理與技術M. 電子工業(yè)出版社,2008.5 孫肖子,模擬電子電路及技術基礎M.西安電子科技大學出版社,2008.6 姚年春,侯玉杰.電路基礎M. 北京：人民郵電出版社,2010.7 張賢達.現(xiàn)代信號處理M.北京：清華大學出版社,2002.8 田耘,徐文波,胡彬.Xilinx ISE FPGA 開發(fā)指南M.人民有點出版社.9 Tong Leong Lim,Noncoherent digital matched filter:multibit quantizationJ.IEEE Trans.Corn,VOL.26,NO.4,August 1978,409-41810 潘松,王國棟.VHDL實用教材M. 電子科