基于FPGA的FIR数字滤波器设计,

摘要：随着科学技术的发展，对信号处理的实时性要求也越来越高了，数字滤波器以其良好的线性特性被广泛应用。随着可编程逻辑器件的发展，使用FPGA来实现FIR滤波器，既有实时性又有一定的灵活性，被越来越多的设计者使用。
在本毕业设计基于FPGA的FIR数字滤波器设计中，围绕硬件描述语言在数字信号毕业设计中应用展开的，对基于FPGA的FIR数字滤波器实现进行研究，本毕业设计所做的主要工作如下：
1.熟悉FIR数字滤波器的基本理论并以此为依据，使用分布式算法来实现滤波器的算法，并对分布式算法进行了详细的讨论。

2.在设计中例举一个四阶的FIR数字滤波器的设计，给定一定参数，利用VHDL语言和分布式算法的查找表模块、移位寄存器、乘累加组成顶层模块的设计来实现数字滤波器。

3.介绍MAX-PLUSII毕业设计，利用MAX-PLUSII进行仿真，并根据理论推算进行结果分析，证明所设计的FIR数字滤波器功能正确。
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关键词：FIR滤波器；可编程逻辑器件；VHDL语言；分布式算法
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目录 [资料来源：THINK58.com]

第一章、绪论…………………………………………………………………………………1
1.1本课题的研究意义………………………………………………………………………1
1.2国内外研究现状…………………………………………………………………………1
1.3研究思路…………………………………………………………………………………2 [版权所有：http://think58.com]
第二章、可编程逻辑器件及VHDL介绍……………………………………………………2
2.1可编程逻辑器件…………………………………………………………………………2
    2.1.1可编程逻辑器件简介……………………………………………………………2
    2.1.2使用FPGA器件进行开发的优点…………………………………………………2
    2.1.3 FPGA设计的开发流程…………………………………………………………2

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2.2 硬件描述语言VHDL及优点……………………………………………………………3
    2.2.1硬件描述语言VHDL简介 ………………………………………………………4
2.2.2硬件描述语言VHDL的优点………………………………………………………4
第三章、FIR数字滤波器及其硬件实现方法…………………………………………………4
3.1 FIR数字滤波器基础……………………………………………………………………4
    3.1.1 FIR数字滤波器的原理 ………………………………………………………5
    3.1.2 FIR数字滤波器的基本结构 …………………………………………………5
    3.1.3线性相位FIR毕业设计的结构 ………………………………………………………6
3.1.4 FIR数字滤波器的设计 ………………………………………………………6
3.2 FIR数字滤波器的硬件实现方法及其基本原理………………………………………7

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第四章、FIR滤波器的设计…………………………………………………………10
4.1  FIR滤波器的方案确定………………………………………………………………10
    4.1.1方案确定 ………………………………………………………………………10
    4.1.2 FIR滤波器的模块划分………………………………………………………10
4.2  FIR滤波器顶层模块功能的实现……………………………………………………10

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    4.2.1查找表模块 ……………………………………………………………………10
4.2.2顶层设计 ………………………………………………………………………11
第五章、FIR滤波器的电路综合与仿真……………………………………………………14
5.1 开发工具MAX-PLUSii介绍……………………………………………………………14
5.2  FIR滤波器的电路仿真结果…………………………………………………………15 [资料来源：THINK58.com]
第六章、总结与展望…………………………………………………………………………15
致谢 …………………………………………………………………………………………16
参考文献 ……………………………………………………………………………………16
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部分毕业设计： [资料来源：http://www.THINK58.com]

1.1 本课题的研究意义
在目前社会上，很多工程技术领域都涉及到如何在较强的背景噪声和干扰信号下提取真正的信号，如：通信毕业设计、航空航天毕业设计、雷达毕业设计、遥感遥测毕业设计等，这就要求有信号滤波。随着毕业设计对宽带、高速、实时信号处理要求越来越高，对滤波器的处理速度、带宽等性能要求也随之提高。滤波器的好坏重要的影响着毕业设计的稳定性和后续的信号处理。在信号处理中,滤波器占有十分重要的地位。
数字滤波是数字信号处理的基本方法。在许多信息处理过程中,如对信号的过滤、检测、预测等,都要广泛地用到滤波器,而数字滤波器则因其设计灵活、实现方便等特点而广受欢迎。所谓数字滤波器就是具有某种选择性的器件、网络或以计算机硬件支持的计算程序。其功能本质是按事先设计好的程序,将一组输入的数字序列通过一定的运算后转变为另一组输出的数字序列,从而改变信号的形式和内容达到对信号加工或滤波以符合技术指标的要求。 [资料来源：http://www.THINK58.com]

   1.2 国内外研究现状
数字信号处理中一个非产重要且应用普遍的技术就是数字滤波。数字滤波就是对输入输出的数字信号经过一定的运算关系进行滤除频率成分，免除一定的干扰信号。数字滤波与模拟滤波相比，有精度高、可靠性高、灵活性好等突出优点，可以满足对幅度和相位的严格要求，在很多领域逐步代替了传统的模拟信号毕业设计。 [资料来源：http://www.THINK58.com]

FIR数字滤波器可以采用两种方法实现：毕业设计实现和硬件实现。
毕业设计实现是在通用计算机上执行数字信号处理程序。这种方法灵活，但实现方法较慢，一般不能实时处理，主要用于教学和科研。国内外的研究机构、公司已经推出了不同语言的信号处理毕业设计包。 [资料来源：http://www.THINK58.com]

硬件主要采用MCU(单片机)、DSP(数字信号处理器)和ASIC(专用集成电路)来实现。其中，单片机速度较慢；ASIC虽然性能良好，但通常是为专门限定的某一或某几个特定功能而设计，灵活性差:毕业设计编程的通用数字信号处理器(Digital Signal Processor)芯片是目前应用较广的一种方法。DSP处理器实质上是一种适用于数字信号处理的单片微处理器，其主要特点是灵活性大，适应性强，具有可编程功能，且处理速度较高。使用FPGA器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个毕业设计的体积和成木，增加毕业设计的可靠性，而且FPGA具有ROM单元，可以进行查表功能。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族，但是在硬件实现时由于滤波器的需处理的数据过大，而FPGA内存不够大，实现起来困难。

2.1.2 使用FPGA器件进行开发的优点
使用FPGA器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个毕业设计的体积和成本，增加毕业设计的可靠性。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。使用FPGA器件设计数字毕业设计电路的主要优点如下：
（1）采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
（3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
（5）FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。

2.1.3 FPGA设计的开发流程
FPGA设计的开发流程图如图2.1所示：

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（1）设计准备
在对可编程逻辑器件的芯片进行设计之前，首先要进行方案论证、毕业设计设计和器件选择等设计准备工作。首先要根据任务要求，如毕业设计所完成的功能及复杂程度，对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布通性等方面进行权衡，选择合适的设计方案。

（2）设计输入
设计者将所设计的毕业设计或电路以开发毕业设计要求的某种形式表现出来，并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常有原理图输入方式、硬件描述语言输入方式和波形输入方式三种方式。在本毕业设计中将采用VHDL硬件描述语言。

（3）设计处理
     这是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译毕业设计将对设计输入文件进行逻辑化简、综合和优化，并适当地用一片或多片器件自动进行适配，最后产生编程用的编程文件。设计处理包括语法检查和设计规则检查、逻辑优化和综合、适配和分割、布局和布线和生成编程数据文件等七个步骤。

（4）设计校验
设计校验过程包括功能仿真和时序仿真，这两项工作是在设计处理过程中间同时进行的。功能仿真是在设计输入完成之后，选择具体器件进行编译之前进行的逻辑功能验证。时序仿真中应将布局布线后的时延文件反标到设计中，使仿真既包含门时延，又包含线时延的信息。 [资料来源：http://www.THINK58.com]

（5）器件编程
    编程是指将编程数据放到具体的可编程器件中去。对FPGA来说是将位流数据文件“配置”到FPGA中去，器件在编程完毕之后，可以用编译时产生的文件对器件进行检验、加密等工作。

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