FPGA课程设计报告基于FPGA的FIR滤波器的设计.doc

目录 一 设计目的 2 二 设计要求 3 2.1、基本要求 3 2.2、提高部分 3 三 设计原理 4 3.1、线性FIR滤波器原理 4 3.2 设计分析 6 3.3 实验结果分析验证提示 7 3.4 DDS原理简介 7 四 设计思路 9 4.1基于matlab工具的滤波器系数计算 10 五 设计内容 13 5.1、寄存器模块 13 5.2加法器模块 14 5.3 减法器模块 19 5.4 乘法器模块 21 六 结果分析 29 七 参考文献 32 八 心得体会 33 基于FPGA的FIR滤波器的设计 一 设计目的 为了帮助学生深入理解和消化基本理论、进一步提高综合应用能力并且锻炼独立解决问题的能力，我们将《数字信号处理》、《集成电路原理与应用》和《FPGA系统设计与应用》几门课程融合在一起开设的FPGA综合实验课程设计。主要从以下两方面考虑： 1、设计内容突出FPGA及信号处理的理论和技术的综合应用。如在数字滤波实验中，要求学生能够熟悉数字滤波器的基本原理，并能运用VHDL语言实现数字滤波。并采用MATLAB软件实现的结果与运用VHDL实现的仿真结果进行，来验证其正确性。最后通过实验装置进行硬件实现，并对结果进行综合分析。 2、如何将《数字信号处理》、《集成电路原理与应用》和《《FPGA系统设计与应用》三门课程有机的结合起来，设计一实际的系统。由学生在所学知识的基础上，查阅相关资料，自主设计，通过实验装置进行实现，并对结果进行综合分析，寻找最佳设计方案。 希望学生通过完成一个利用FPGA实现信号处理相关的课题的理论设计、程序设计和实验调试任务，提高他们分析解决实际问题的能力。本设计要求运用课程所学知识，进行算法实现、 Matlab仿真，VHDL程序设计，FPGA开发平台上调试，加深对FPGA在信号处理知识领域的理解与运用，培养对FPGA系统的开发技能。 二 设计要求 2.1、基本要求 利用所学知识，采用VHDL语言完成FIR滤波器的设计仿真。要求用VHDL编程设计底层文件，顶层文件可任意（可用原理图方式或文本方式）；完成仿真文件（包括MATLAB和QUARTUSII两种仿真）并对其结果比较。 具体设计指标如下： （1）； （2）截止频率； （3）输入序列为10位（最高位为符号位）； （4）窗口类型为kaiser窗，=0.5 ； （5）滤波器长度为16 ； （6）输出结果保留10位。 2.2、提高部分 根据所学知识，设计出一个具有频率控制功能DDS，要求输出频率分别为10KHz和100KHz，将输出的两路数字信号进行叠加，并通过所设计的FIR滤波器进行滤波，将滤波输出的数字信号通过D/A转换电路输出波形，并用示波器观察输出波形，并完成测试结果分析。结构框图如图1所示。 图1 整体结构框图 三 设计原理 3.1、线性FIR滤波器原理 FIR滤波器响应（简称FIR）系统的单位脉冲响应为有限长序列，系统函数在有限z平面上不存在极点，其运算结构中不存在反馈支路，即没有环路。如果的长度为N，则它的系统函数和差分方程一般具有如下形式： 根据差分方程直接画出FIR滤波器的结构，称为直接型结构。如图2所示： 图2 FIR滤波器直接结构 FIR滤波器的特点：单位脉冲响应序列为有限个；可快速实现；可得到线性相位；滤波器阶数较高。对线性时不变系统保持线性相位的条件是：单位脉冲响应为偶对称或奇对称。即： 为设计线性滤波器，应保证h(n)为对称的。 ① 若N为偶数，其线性相位FIR滤波器的对称结构流图如图3： 图3 若N为偶数线性相位FIR滤波器的对称结构流图 图中：“ +1 ” 对应偶对称情况，“ -1 ” 对应奇对称情况。当n为奇数时，支路断开。 ② 若N为奇数，其线性相位FIR滤波器的对称结构流图如图4： 图4 N为奇数线性相位FIR滤波器的对称结构流图 3.2 设计分析 1. 设计滤波器方案： 因为N=16为偶数，可以按照上面第一个原理图设计滤波器，如图5所示。 图5 本设计取为偶对称的情况，则图中：应取“ +1 ”。 由上图可分析得到，要完成滤波器的设计，需要设计的底层文件包括延时单元、加法电路单元、乘以负一单元、乘法器单元及截取10位数单元。由各单元VHDL编程后，生成相应的符号文件。最后连接成顶层原理图。 3.3 实验结果分析验证提示 1）利用QUARTUSII仿真 设， 取进行仿真。 2）利用MATLAB仿真 求取,/，/，然后，同以上仿真结果进行对比，说明滤波器设计的正确性。 3.4 D