基于fpga的fir滤波器设计

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1、基于FPGA的FIR滤波器设计一、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。本次完成的是利用FPGA来完成FIR滤波器的设计、程序设计和实验调试任务。二、设计要求（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

2、和QUARTUSII两种仿真）并对其结果比较。具体设计指标如下：（1）采样频率；（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）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1-1所示。

3、图2-1整体结构框图三、设计原理3.1FIR滤波器由线性系统理论可知，在某种适度条件下，输入到线性系统的一个冲击完全可以表征系统。当我们处理有限的离散数据时，线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的。若线性系统仅是一个空间滤波器，则通过简单地观察它对冲击的响应，我们就可以完全确定该滤波器。通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（FIR)滤波器。3.2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

4、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3-1所示：图3-1FIR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3-2所示：图3-2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

5、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3-3：图3-3N为奇数线性相位FIR滤波器的对称结构流图其中y（n）和x（n）分别是输出和输入序列。有限冲激响应滤波器的一种直接型实现，可由式（2）生成，M=5的情况如图3-4（a）所示。其转置，如图3-4（b）所示，是第二个直接型结构。通常一个长度为M的有限冲激响应滤波器由M个系数描述，并且需要M个乘法器和(M-1)个双输入加法器来实现。图3-4（a）直接型一图3-4（b）直接型二长度为M的线性相位有限冲激响应滤波器由对

6、称的冲激响应h（n）=h（M-1-n）或反对称的冲激响应h（n）=-h（M-1-n）描述。利用线性相位有限冲激响应滤波器的对称（或反对称）性质，可以将传输函数的直接型实现所需的乘法器总量减少一半。例如，图3-5显示了一个具有对称冲击响应的、长度为7的有限冲激响应传输函数的实现。图3-5线性相位有限冲激响应结构四、设计方案因为N=16为偶数，根据老师上课时所讲，可以按照上面第一个原理图设计滤波器，如图4-1所示。图4-1若N为偶数线性相位FIR滤波器的对称结构流图本设计取为偶对称的情况，则图中：应取“+1”。由上图

7、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。整个电路的原理图设置方案如图4-2所示：图4-2滤波器整体设计方案原理图五、设计内容及结果分析首先使用matlab计算出符合设计要求的滤波器冲激响应系数。后将整个电路规划为语言编辑和原理图编辑两个单元，其中语言编辑部分负责编辑整个滤波器电路中所需用的单元器件，包括寄存器、加法器、减法器以及乘法器几个单元器件；最后将所有的器件连接

8、成顶层原理图。在进行编译及仿真。5.1基于matlab的FIR滤波器系数计算在matlab命令编辑窗口输入Fdatool指令，再点回车即可打开FilterDesign&AnalysisTool窗口，在该工具的帮助下，我们就可以完成f.i.r.滤波器系数的计算。Fdatool界面总共分两大部分，一部分是designfilter，在界面的下半部分，用来设置滤波器的设计参数，另