毕业设计方案
学 院：信息学院
专 业：电子信息科学与技术 班 级：0301 学 号：2003210024 学生姓名： 指导教师： 设计题目：
20 年 3 月 15 日
毕业设计方案
学院 信息学院 专业 电子信息科学与技术 姓名 学号 2003210024 设计题目： 基于FPGA的FIR数字滤波器设计 一、设计方案内容：（本页可另加页）
1、 国内外研究现状、水平及存在的问题： 在国内外的研究中，设计FIR滤波器所涉及的乘法运算方式有：并行乘法、位串行乘法和采用分布式算法的乘法。 并行乘法虽然速度快，同时占用的硬件资源极大。如果滤波器的阶数增加，乘法器位数也将变大，硬件规模将变得十分庞大。 位串行乘法器的实现方法主要是通过对乘法运算进行分解，用加法器来完成乘法的功能，也即无乘法操作的乘法器。但由于一个8*8位的乘法器输出为16位，为了得到正确的16位结果，串行输入的二进制补码数要进行符号位扩展，即将串行输入的8位二进制补码数前补8个0(对正数)或8个1(对负数)后才输入乘法器。 分布式算法(distributed arithmetic,DA)的主要特点是巧妙的利用ROM查找表将固定系数的乘累加(Multiply-accumulator, MAC)运算转化为查表操作，它与传统算法实现乘累加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。 相对于前两种方法，DA算法既可以全并行实现，又可以全串行实现，还可以串并行结合实现，可以在硬件规模和滤波器速度之间作适当的折中，是现在被研究的主要方法。 FIR数字滤波器的实现，大体可以分为软件实现和硬件实现方法两种。 软件实现方法即是在通用的微型计算机上用软件实现。 硬件实现即是设计专门的数字滤波硬件，采用硬件实现的方法一般都比采用软件实现方法要困难得多。 固定功能的DSP专用器件可以提供很好的实时性能，但其灵活性差，研发周期长，难度也比较大；DSP处理器的成本低且速度较快，灵活性好，但由于软件算法在执行时的顺序性，限制了它在高速和实时系统中的应用。在一些高速应用中，系统性能的要求不断增长，而DSP性能的提高却落后于需求的增长。 而大规模可编程逻辑器件的出现为数字信号处理提供了一种新的实现方案。分布式算法可以很好地在FPGA(Field Programmable Gate Array)中实现，然而却不能有效的在DSP处理器中实现，所以采用FPGA使用分布式算法实现FIR数字滤波器有着很好的发展前景。采用现场可编程门阵列FPGA来实现FIR数字滤波器，既兼顾ASIC器件(固定功能DSP专用芯片)的实时性，又具有DSP处理器的灵活性。用FPGA设计的产品还具有体积小、速度快、重量轻、功耗低、可靠性高、仿制困难、上批量成本低等优点。但是，DA算法中的查找表的规模随着FIR数字滤波器阶数的增加呈指数增长，而且随着滤波器系数的位数的增加，查找表的规模也会增加， 1
这将极大的增加设计的硬件规模。所以如何减小查找表的规模成为尚待解决的问题[1]。 2、 选题的目的、意义： 信号与信号处理是信息科学中近十几年来发展最为迅速的学科之一。信号是信息的载体，所谓信息是指人类对外界事物的感知，人们对信息的处理是通过对信号的处理来实现的。所谓信号处理是指将信号从一种形式变成另一种形式，比如将信号从时域转换到频域，从模拟信号转化为数字信号等。随着21世纪的到来，人类跨入了信息网络时代。从计算机到移动电话，从家用娱乐使用的VCD, HDTV、多媒体电脑到军用雷达、医用CT仪器等设备，无不由各种各样的电子系统组成，在这些电子系统中，数字化技术的应用比比皆是。由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术与数字集成电路(微处理器、存储器以及标准逻辑电路等)的使用已成为现代电子系统的重要标志。毫无疑问，数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP)技术的飞速发展极大地提高了人们对模拟世界的把握能力。长期以来，信号处理技术一直用于转换、产生模拟或数字信号，其中最为频繁应用的领域就是信号的滤波。数字滤波是语音、图像处理、模式识别和谱分析等应用中的一个基本处理部件，它可以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(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器可以在设计任意幅频特性的同时，保证严格的线性相位特性，而且FIR数字滤波器实现结构主要是非递归的，可以稳定地工作，所以FIR数字滤波器被广泛地应用于视频和通信电路中。 数字滤波器在数字信号处理中占有很重要的地位，它涉及的领域很广，如:通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等。 传统的FIR数字滤波器设计的方法主要有两种:采用固定功能的DSP器件或ASIC器件;采用通用可编程DSP芯片，如TMS32微处理器等。两种解决方案中，固定功能的DSP器件或ASIC器件可以提供很好的实时性能，但其灵活性较差，不适合在实验室或技术开发等场合使用;通用可编程DSP芯片的成本低，设计简单，其应用也最广泛，但由于软件算法在执行时的顺序性，使其速度受到影响，尽管DSP器件性能不断提高，但仍在某些实时性要求极高的场合受到限制。可编程逻辑器件特别是大规模可编程逻辑器件FPGA和CPLD的出现为FIR数字滤波器的设计提供了第三种解决方案。本课题便是对基于FPGA器件实现FIR数字滤波器的研究。 3、 实施方案及主要研究手段： （1）要研究基于FPGA实现的FIR数字滤波器，首先要选定FPGA器件。Xilinx公司的FLEX10K系列器件芯片密度大，使用频率高，是目前大规模数字逻辑设计的发展趋势，是用户专用数字滤波器设计的理想载体，并且它的设计软件方便易用，有现成的硬件开发板，所以选用它进行设计。 （2）对FIR数字滤波器的结构和设计方法要有一定的了解。
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（3）设计数字系统，有多种方法，可以采用传统的数字系统设计方法，也可以采用使用硬件描述语言的数字系统设计方法。传统的设计方法不适合大规模系统的设计，所以采用使用硬件描述语言的数字系统设计力法。这就要求学会自顶向下的系统设计方法、硬件描述语VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language),综合工具、仿真工具等。 （4）采用分布式算法实现FIR数字滤波器，对分布式算法要有深刻的理解，得出用它来实现FIR滤波器的硬件结构，对其实现方式进行研究，分别采用合适的方法来设计，最后利用FPGA器件实现FIR数字滤波器的硬件电路，并用MAX+PlusⅡ对实现的结果进行仿真分析。 4、 选题的创新之处： 采用了应用硬件描述语言和自顶向下的数字系统设计方法，对传统的数字系统设计方法和以使用硬件描述语言的数字系统设计方法以及自底向上和自顶向下的数字系统设计方法进行了比较，指出采用硬件描述语言和自顶向下方法设计数字系统的优势，并给出了利用FPGA器件进行数字系统设计的设计流程。 5、 预期研究成果或结论： 首先以FIR数字滤波器的基本理论为依据，使用分布式算法为滤波器的主要实现算法，并对其进行详细的讨论。 其次, 在理解FIR数字滤波器的基本理论的基础上，研究并设计了各种不同的实现方法：直接型实现FIR数字滤波器，改进型数字滤波器的设计和基于查找表的数字滤波器的设计。并且针对这几种方法用VHDL语言编写相应的程序。利用相应的程序来实现数字滤波器的具体功能。 最后,设计采用FLEX10K系列器件，通过MAX-PLUSⅡ对两种设计方案进行了综合仿真。通过仿真结果比较计算值的输入输出，可以验证结果是否正确。 6、参考文献： [1] 郭晓宇.基于FPGA实现FIR数字滤波器的研究[D].武汉大学硕士学位论文,2004 [2] 廖日坤.CPLD/FPGA嵌入式应用开发技术白金手册[M].北京:中国电力出版社,2005 [3] 余成波,杨如民,周登义.数字信号处理及Matlab实现[M].北京:清华大学出版社,2005 [4] 陈赜,朱如琪.CPLD/FPGA与ASIC设计实践教程[M].北京:科学出版社,2005 [5] 靳希,杨尔滨,赵玲.信号处理原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004 [6] 徐志军,徐光晖.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2002 [7] 潘松,黄继业.EDA技术使用教程[M].北京:科学出版社,2002
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[8] 王诚,薛小刚.FPGA/CPLD设计工具——Xilinx ISE5.x使用详解[M].北京:人民邮电出版社,2003 [9] 冷雪峰.基于FPGA/CPLD器件的FIR数字滤波器设计与仿真[D].燕山大学工学硕士学位论文,2004 [10] 王天云.基于分布式算法FIR滤波器的FPGA实现[J].舰船电子工程, 2005(5) : 89-91 [11] 姚天任.数字信号处理[M].武汉:华中科技大学出版社,2000 [12] 蒋垒,王昌林,刘鎏.基于FPGA的FIR数字滤波器算法实现[J].合肥:舰船电子工程, 2006(1):45-50 [13] 潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2005 [14] 姜立东.VHDL语言程序设计及应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2003 [15] 杨恒.FPGA/CPLD最新实用技术指南[M].北京:清华大学出版社,2005 [16] 陈耀和.VHDL语言设计技术[M].北京:电子工业出版社,2004 [17] The Programmable Logic DATA BOOK. Xilinx Incorporation San Jose USA, 1999 [18] G. R. Goslin, \guide to Using Field Programmable Gate Arrays for Application-Specific Digital Signal Processing Performance\[19] Atmel Corporation,USA, Application note, \FIR Filter Using Bit-Serial Digital Signal Processing\[20] Stanley A. White, \Review\
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