基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计毕业设计论文
基于FPGA技术的FIR数字滤波器的设计
通常在信号产生、采集、传输过程中产生杂波和噪声,通常需要加入滤波器将干扰无用的噪声或者不需要频段的信号滤除。
数字滤波器和模拟滤波器相比具有更高的精度、信噪比,以及不可比拟的可靠性[1]。
只要适当改变数字滤波程序有关参数,就能方便的改变滤波特性,因此数字滤波使用时方便灵活。
由于在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势,基于FPGA 的信号处理器已广泛应用于各种信号处理领域。
本文正是在此背景下研究基于FPGA 技术,运用DSP Builder 和MATLAB 等软件工具设计工程中实用的FIR 数字滤波器。
1、FIR 数字滤波器设计原理有限长脉冲响应(FIR )滤波器的系统函数只有零点,除原点外,没有极点,因而FIR 滤波器总是稳定的[2]。
长度为M 的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H (z )描述:1()()M kk H z h k z −−==∑它是次数为M-1的z-1的一个多项式。
在时域中,上述有限冲激响应滤波器的输入输出关系为:1()()()M k y n h k x n k −==−∑其中x(n)是输入采样序列,h(i)是滤波器系数,y(n)表示滤波器的输出序列。
也可以用卷积来表示输出序列y(n)与x(n)、h(n)的关系。
)(*)()(n h n x n y =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1中显示了一个典型的直接I型4阶FIR 滤波器,其输出序列y (n)满足下列等式:在这个FIR 滤波器中,总共存在3个延时节,4个乘法单元,一个4输入的加法器。
z -1x (n )h (0)y (n )z -1z-1h(1)h(2)h (3)图1 直接I 型4阶FIR 滤波器模型2、设计方案及设计指标2.1 DSP Builder 设计概述FPGA 的DSP 性能领先的关键是其内在的并行机制,即利用并行架构实现DSP 功能的功能。
基于FPGA的FIR滤波器设计与实现
目录引言 (4)第一章FPGA的设计流程 (5)1.1 FPGA概述 (5)1.2 FPGA设计流程 (9)1.3硬件描述语言HDL(Hardware Description Language) (10)1.4 FPGA开发工具Quartus Ⅱ软件设计流程 (13)第二章有限冲激响应(FIR)滤波器的原理及设计 (16)2.1数字信号处理基础原理 (16)2.2 FIR滤波器背影知识 (19)2.3 FIR数字滤波器原理 (21)2.4 利用窗函数法设计FIR滤波器 (26)第三章FIR 数字滤波器的FPGA实现 (31)3.1串行FIR滤波器原理 (31)3.2分布式算法基础 (32)3.3直接型FIR滤波器的原理结构图 (34)3.4具有转置结构的FIR滤波器 (36)第四章结论与总结 (40)谢辞 (42)参考文献 (43)摘要:本论文课题是《基于FPGA的FIR滤波器设计与实现》。
数字滤波器是语音与图象处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件,它能满足滤波器对幅度和线性相位的严格要求,避免模拟滤波器所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(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性。
因此在许多应用领域都显示了强大的生命力,具有重要应用意义。
本文介绍了用VHDL实现线性相位FIR(有限长单位冲激响应)滤波器。
提出了一种基于FPGA的FIR滤波器设计方案。
介绍了基于FPGA的FIR滤波器的数字信号处理的算法设计,采用直接型和转置型的基本结构来设计,其运算效率明显提高,并结合先进的EDA软件进行高效的设计和实现,并给出了用Quartus Ⅱ运行的仿真结果。
该设计对FPGA硬件资源的利用高效合理,用VHDL编程,在PFGA中实现了高采样率的FIR滤波器。
关键字:FIR滤波器;FPGA;VHDL;MATLAB;Quartus ⅡAbstract:Digital filter is a fundamental device used in pronunciation &pattern process, pattern-recognition, radar signal processand spectral analysis. It can meet the high needs to range andphase, and can avoid such problems as voltage drifting,temperature drifting and noise that analogue filters cannotovercome. FIR filter can assure a strict linear phase identitywhile designing any range and frequency. Therefore, FIR filterhas shown its strong vitality in many fields and its importancein using. In the paper, the way to use VHDL to design linearphase FIR filter is introduced and its importance in using. Inthe paper, the way to use VHDL to design linear phase FIRfilter is introduced and its designing thoughts are expounded.This paper introduces the design scheme of FIR filter based onFPGA, introduces that the design technology of FIR filterbased on FPGA about digital system processing arithmetic.FIR filter adopts the basic structure of direct type, the resultare shifting and adding. Integrating advanced software of EDAto design and achieve, and giving some emulator results. Thisdesign makes high use of hardware resource about FPGA,programming with VHDL language, achieving FIR filter withhigh sampling level based on PDGA.Keywords: Finite Impulse Response Digital Filter(FIR)、FieldProgrammable Gate、Array(FPGA)、VHDL、Quartus Ⅱ引言在数字信号处理技术不断发展的今天,数字滤波器正在迅速地代替传统的模拟滤波器,所以有越来越多的人们在研究数字滤波器的结构以及其实现。
电子科大毕设——基于FPGA的FIR滤波器的设计(第三章)
第3章 基于FPGA 设计FIR 滤波器在前面几章讨论了基于FPGA 设计FIR 滤波器的相关原理及其相关的基础知识。
在本章中将针对前面提到的原理和方法进行进一步的应用和组合。
3.1 指标的确定在本文的设计中,所确定的指标如下:(1) 带宽100MHZ ,最小阻带衰减-35db ,带内波动小于2db 。
(2) 综合仿真。
(3) 设计出满足上述性能指标并且所需资源最少的FIR 滤波器。
(4) 阶数:22。
3.2 设计思路将输入信号的每一位通过四个延时器后,以每位信号的4个引出点作为选择控制端,选择出己经算好的系数,每一位信号选取存储器中的不同位上的数值,达到乘法移位的功能,并送到累加器。
累加器将8位信号选择出的8个数据累加后输出,得到滤波结果。
为了充分利用FPGA 中四输入查找表的电路结构,采用每8节为滤波器的一个基本单元.对于64节滤波器的设计,采用8个基本滤波单元。
3.2.1 FIR 滤波器的基本算法(1) 加法器的设计加法器是数字系统中最常用的运算电路,其他运算电路如减法器、乘法器和除法器等都可以利用加法器来实现,在本设计的中也大量的使用到了加法器。
一个基本N 位二进制加法器/减法器由N 个加法器组成。
每个加法器都执行如下的布尔方程[19]:k x =k s XOR k y y XOR k k k k c y x c ⊕⊕= (3.1)进位位按如下方法计算:1+k c =(k x AND k y ) OR (k x AND k c ) OR (k y AND k c )=(k x k y )+(k x k c )+(k y k c ) (3.2) 最简单的加法器结构称为并行加法,如图 3.4所示,是位串行格式的。
图3.4并行加法器在quartusII中提供宏模块lpm_add_sub来构造加法器和减法器。
表3.1列出了lpm add_sum 的基本逻辑参数[19]。
(2)乘法器的设计乘法器是构成DSP系统的基本部件,也是FIR数字滤波器的基本运算。
基于FPGA的可调参数FIR滤波系统毕业设计论文
毕业设计专业:电子科学与技术 学 号: 基于 FPGA 的可调参数 FIR 滤波系统学生姓名: 设计题目:起迄日期: ____2013 年 3 月 11 日~6 月 7 日 设计地点: 指导教师: 河北科技大学 张秀清任务书下达日期: 2013 年 2 月 25 日毕 业 设 计 任 务 书1.本毕业设计课题应达到的目的:1. 熟悉课题,翻译资料。
2. 对数字滤波器进行研究,初步了解其在国内外的相关发展。
3. 对 FIR 滤波器设计的方法进行研究,熟悉设计过程。
4. 了解 MATLAB 仿真和验证功能。
5. 完成毕业设计论文。
2.本毕业设计课题任务的内容和要求 主要内容: (1) 熟悉课题,翻译资料。
(2) 对数字滤波器进行研究,初步了解其在国内外的相关发展。
(3) 对 FIR 滤波器设计的方法进行研究,熟悉设计过程。
(4) 对 Matlab 软件使用及开发进行理解。
技术要求: (1) 掌握 Matlab 和 QuatusII 的工作原理,熟悉设计思路。
(2) 编写程序代码。
(3) 所设计滤波器性能达到指标要求。
工作要求: (1) 查阅与本毕业设计课题相关的技术文献 10 篇以上; (2) 在阅读文献的基础上写出 2000 字左右的技术综述; (3) 准备二个以上完整的技术方案,择优用于毕业设计; (4) 根据方案进行软硬件开发和实验,并记录相关实验数据; (5) 完成毕业设计论文。
毕 业 设 计 任 务 书3.本毕业设计课题工作进度计划: 起 迄 日 期 2013 年 3 月 11 日 ~ 3 月 15 日 3 月 16 日 ~4 月 19 日 4 月 20 日 ~5 月 24 日 5 月 25 日 ~ 6 月 7 日 文献调研,撰写开题报告。
初步完成设计方案,并且验证。
撰写毕业设计论文,修改毕业论文。
论文答辩。
工 作 内 容所在专业审查意见:负责人: 2013 年 2 月 28 日。
毕业设计_基于FPGA的FIR数字滤波器设计 - 1
学士论文基于FPGA的FIR数字滤波器设计摘要随着公元的第二十一个世纪的到来,今天我们进入了一个科技日新月异的时代。
在现代电子数字系统中,滤波器都以一个不可缺少的身份出现。
其中,FIR数字滤波器又以其良好的线性特性被广泛和有针对性的大量使用。
众所周知,灵活性和实时性是工程实践中对数字信号处理的基本要求。
在以往使用的各种滤波器技术中,不难发现有许许多多的问题。
但是,随着现代计算机技术在滤波问题上的飞跃,派生出一个全新的分支——数字滤波器。
利用可编程逻辑器件和EDA技术,使用FPGA来实现FIR滤波器,可以同时兼顾实时性和灵活性。
基于FPGA的FIR数字滤波器的研究势在必行。
本论文讨论基于FPGA的FIR数字滤波器设计,针对该毕业设计要做的基本工作有如下几点:(一)掌握有限冲击响应FIR(Finite Impulse Response,FIR)的基本结构,研究现有的实现方法。
对各种方案和步骤进行比较和论证分析,然后针对目前FIR数字滤波器需要的特点,速度快和硬件规模小,作为指导思想进行设计计算。
(二)基于硬件FPGA的特点,利用Matlab软件以及窗函数法设计滤波器。
对整个FPGA元件,计划采用模块化、层次化设计思想,从而对各个部分功能进行更为详细的理解和分工设计。
最终FIR数字滤波器的设计语言选择VHDL硬件编程语言。
(三)设计中的软件仿真使用Altera公司的综合性PLD开发软件Quartus II,并且利用Matlab工具进行对比仿真,在仿真的过程中,对比证明,本论文设计的滤波器的技术指标已经全部达标。
关键词:数字滤波器Matlab 可编程逻辑元件模块化算法1绪论1.1本课题研究意义在现代通信信号处理领域中,随着各种精密计算和快速计算的发展对信号处理的实时性、快速性的要求越来越高。
以往的模拟滤波器无法克服电压漂移、温度漂移和噪声等问题,从而带来了许多误差和不稳定因素。
而数字滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等突出优点。
基于FPGA的FIR低通滤波器的设计与实现
Ab s t r a c t Th e t h e o r y a n d me t h o d t o r e a l i z e FI R l o w- p a s s f i l t e r u s i n g Di s t r i b u t e d Ar i t h mt e t i c b a s e d o n FPGA i s p r e s e nt e d .Th e d e s i gn
要使 用到滤波器 。F I R滤波器 是数字信 号处理 中常用 的一
种 方法 , 它具 有 稳 定 、 能保 证 精 确 的 线性 相 位 的特 性 _ 1 ] 。 F P GA具有灵活 的可编 程特 性 , 突破 了并行 处理 与 流水 级 数 的限制 , 可 以很好地 实现信号处理 的及 时性 , 且它 的开发 程序 可移植 性好 , 开发周 期短 。而采用 F P G A 技术 来设 计 F I R滤波 器正 成为设 计 的趋 势l _ 2 J 。目前 , 用F P GA设 计
丁
( 江苏 科 技 大 学
伟
张 家港 2 1 5 6 0 0 )
摘 要
论文主要研究基 于 F P GA技术 、 采用分布式算法实现 F I R低通滤波器的原理和方法。该设计利用 Ma t l a b工具箱设计 窗函数
计算 F I R滤波器系数 , 并用 Q u a r t u s 1 I 进 行硬件仿真 , 仿真结果表明设计 F I R滤波器的正确性 。最后 以 1 6阶的 F I R低通滤波器 为例 , 给出
s h o ws t h e d e s i g n e d FI R f i l t e r i s c o r r e c t . A 1 6 一 o r d e r FI R 1 O W f i l t e r i s d e s i g n e d a s a n e x a mp l e ,s ho wi n g t h e s i mu l a t e d wa v e s ,h a r d wa r e ve r i i— f
基于FPGA的FIR数字滤波器的设计和实现
基于FPGA的FIR数字滤波器的设计和实现摘要:本文基于FPGA平台实现了一种FIR数字滤波器,通过对滤波器的设计与实现过程的详细介绍,展示了FPGA在数字滤波器中的应用优势。
首先介绍了数字滤波器的原理及其在信号处理中的重要性,并对FPGA及其特点进行了概述。
接着,详细介绍了FIR滤波器的原理以及其在FPGA上的实现步骤,分析了滤波器设计中需要考虑到的各种因素。
最后,通过实验验证了FPGA上实现的FIR滤波器的性能,并对优化策略进行了讨论。
关键词:FPGA,FIR滤波器,数字信号处理,性能优化1. 引言数字滤波器是现代信号处理的重要组成部分,通过选择性地传递或抑制输入信号的特定频率组成部分,对信号进行处理和改善。
FIR滤波器是数字滤波器中最常用的一种类型,具有线性相位特性、稳定性较强以及易于实现等优势。
而FPGA作为一种可编程逻辑器件,具有灵活性高、可重构性强等特点,成为实现数字滤波器的理想平台。
2. FIR滤波器的原理FIR滤波器是一种线性时不变系统,其输出仅和当前输入值以及过去若干个输入值有关。
该滤波器的输出可以通过输入信号的线性加权和来计算,其中,每个输入值的加权系数通过FIR 滤波器的系数来确定。
FIR滤波器的系数决定了它对不同频率分量的响应,从而实现了信号的滤波目的。
3. FIR滤波器在FPGA上的实现步骤(1)选择合适的FPGA平台和开发工具,如Xilinx FPGA平台和Vivado开发工具。
(2)根据所要设计的滤波器的需求,确定其采样频率、截止频率和滤波器类型等参数,并进行系统级设计。
(3)根据所选参数,设计FIR滤波器的传递函数,并确定滤波器的阶数和系数。
(4)通过数学运算或者通过滤波器设计软件生成滤波器的差分方程。
(5)根据生成的差分方程,使用HDL(HardwareDescription Language)进行滤波器的编写。
(6)进行FPGA的综合、布局与布线、下载与验证,完成滤波器的硬件实现。
基于FPGA的FIR滤波器设计
1 绪论改革开放以来,国家的科学技术水平一直在稳步上升,在科研过程中,经常会用到模拟滤波器,而现如今,它的缺点渐渐暴露,比如,当参数稍有改变,那么模拟滤波器此时就需要变换电容和电感的某些参数。
但是,当数字滤波器遇到类似情况时,仅仅将系数修改就能达到目的。
众所周知,当模拟滤波器遇到类似于温漂、噪声漂移、电压漂移问题时就无计可施,但数字滤波器却可以处理。
1.1 课题背景及意义信号处理会以电、磁、机械等形式表现出来,对此许多工程技术范围都会有所涉及。
信号处理一般是以对信号进行分析、变换、综合、估值、识别等为目的,特别值得注意的是,信号处理要首先能够在较复杂的情境中,将研究所涉及的信号包括其特征找出并应用于实际工程。
现如今,数字信号处理技术越来越成熟了,而且应用的领域也在渐渐的扩大,这使得传统的模拟信号处理系统已逐步被取代。
进行滤波时,其输入输出信号均为数字信号,便可称其为数字滤波。
数字滤波能够找到并提取出所要的内容,所以,把它看成现代信号处理的重要内容已成为很多人的共识,而它的应用领域也在逐步扩大,比如自动控制、数字通信、语音处理等都用到此项技术。
在实际的工程中,数字滤波器没有漂移,在研究过程中,频率响应特性是很重要的,而数字滤波器的频率响应特性使其无限度的接近于理想特性。
数字滤波器的精度非常高,能够去处理一些低频信号,同时,数字滤波器特别容易集成[1]。
人们所熟知的DSP处理器和FPGA技术发展的越来越迅速,这也使得数字滤波器向更高的层次在发展着。
当然,使用FPGA的方法来设计FIR滤波器是一个比较新颖的方法,还正处于发展阶段,所以技术仍旧稍有不成熟。
相比较而言,基于DSP 的FPGA的方法就稍显成熟,这一方法需要一定的基础,在许多方面,它都表现了其独有的优势。
虽然如此,人们还是更多的把研究的眼光放到了用FPGA的方法去设计FIR滤波器,因为它有着广泛的用途以及巨大的实用价值。
1.2 国内外研究现状在如今的科研中,越来越多的使用到数字信号处理器。
基于FPGA的FIR滤波器的设计(毕业设计) 可用
目录摘要 (2)英文摘要 (3)1 引言 (3)1.1国内外研究现状 (4)1.2本论文的研究内容及主要工作 (6)2 FIR数字滤波器设计 (6)2.1数字滤波器基础 (6)2.1.1 数字滤波器简介 (6)2.1.2 FIR数字滤波器的结构 (7)2.2 FIR数字滤波器设计方法 (8)2.2.1 窗函数法 (8)2.2.2 频率采样法 (9)2.2.3 等波纹最佳逼近法 (11)2.2.4 三种设计方法的比较......................... 错误!未定义书签。
3 FPGA 设计优点以及分布式算法 (12)3.1 使用FPGA器件进行开发的优点 (13)3.2分布式算法 (14)3.2.1 分布式算法基础 (14)3.2.2 有符号的DA系统 (15)4 基于FPGA的FIR滤波器设计 (15)4.1基于M ATLAB的FIR数字低通滤波器抽头系数的提取 (16)4.1.1 滤波器的设计指标 (16)4.1.2 滤波器的具体设计方法 (16)4.1.3 参数提取与量化 (17)4.2FIR滤波器的FPGA实现 (19)4.2.1 模块划分 (19)4.2.2 FIR滤波器各模块的实现 (20)4.2.3 FIR滤波器的顶层设计 (30)4.3FIR滤波器的系统仿真验证 (32)4.4系统硬件 (36)4.4.1 系统框图 (36)4.4.2 部分芯片简介 (36)4.4.3 AD、DA电路原理图 (39)4.5测试波形及现场照片 (39)4.6数据误差分析 (40)结论 (41)参考文献 (41)附件 (42)基于FPGA的FIR滤波器的设计摘要:本文设计了一个基于FPGA的16阶FIR低通滤波器,使用分布式算法作为滤波器的硬件实现算法,并对其进行了详细的讨论。
针对分布式算法中LUT规模过大的缺点,采用多块查找表的方式减小硬件规模。
在设计中采用了自顶向下的层次化、模块化的设计思想,将整个滤波器划分为多个模块,利用VHDL语言的描述方法进行了各个功能模块的设计,最终完成了FIR数字滤波器的系统设计。
基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计毕业设计论文
毕业设计(论文)题目(中文):基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计(英文):The Design of FIR Digital Filter Based on FPGA上海师范大学天华学院本科毕业设计(论文)诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文),题目《基于FPGA 的FIR数字低通滤波器的设计》是本人在指导教师的指导下,进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。
除此之外,本设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明应承担的法律责任。
作者(签名):日期:2012年04月27日毕业设计(论文)任务书(2012届)题目(中文):基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计(英文):The Design of FIR Digital Filter Based on FPGA系部电子与信息工程系专业班级电子信息工程08秋1班日期: 2011 年 10 月毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:日期:指导教师签名:日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:日期:学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
基于FPGA的FIR数字滤波器的优化设计
在图像处理、语音识别等数字信号处理中,数字滤波器占有重要的地位,其性能对系统有直接的影响。
随着系统在宽带、高速、实时信号处理上要求的提高,对滤波器的处理速度、性能等也提出更高的要求。
目前数字滤波器的硬件实现方法通常采用专用DSP芯片或FPGA,DSP特有的一些硬件结构和特性使其非常适合作数字滤波电路,但由于其软件算法在执行时的串行性,限制了它在高速和实时系统中的应。
FPGA最明显的优势在于其实现数字信号处理算法的并行性,可以显著提高滤波器的数据吞吐率,随着FPGA技术的不断发展,现在的FPGA不仅包含查找表、寄存器、多路复用器、分布式块存储器,而且还嵌入专用的快速加法器、乘法器和输入/输出设备,因而成为高性能数字信号处理的理想器件。
而在FPGA 中,数字滤波器不同的实现方法所消耗的FPGA资源是不同的,且对滤波器的性能影响也有较大差异。
基于此,本文从FIR滤波器的系数考虑,采用CSD编码,对FIR数字滤波器进行优化设计。
1 FIR滤波器的基本原理一个L阶的FIR数字滤波器的基本系统函数见式(1):式中:h(n)表示滤波器的系数;x(i)表示带有时间延迟的输入序列,此表达式对应的直接型实现结构可用图1来表示。
可以看出,FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成的。
传给每个乘法器的操作数就是一个FIR系数。
对每次采样x(n)要进行N次连续的乘法和(N-1)次加法操作,因实际中滤波器的阶数都很高,实现高数据吞吐率就需要很多的硬件乘法器,硬件实现时将占用大量的资源,同时也会因此影响滤波器的速度和性能。
为了解决这个问题,人们从多个角度寻求优化方法。
从数字滤波器表达式看,对它的优化操作,实际最终转换成两类改进。
一类是针对输入xi的DA操作的改进;另一类是针对系数hi编码的操作。
2 DA算法分布式算法(Distributed Arithmetic,DA)是为了解决乘法资源问题而提出的经典优化算法这种算法结构,可以有效地将乘法运算转换成基于查找表LUT(Look Up Table)的加法运算,利用查表方法快速得到部分积。
基于FPGA的FIR滤波器优化设计
基于FPGA的FIR滤波器优化设计FPGA技术是一种灵活和可重配置的硬件设计技术,具有高度的并行性和可定制性。
其中,FIR(Finite Impulse Response)滤波器是一种常见的数字滤波器,可以用于信号处理和数据通信等领域。
在本文中,我们将讨论基于FPGA的FIR滤波器的优化设计。
首先,我们将介绍FIR滤波器的基本原理。
FIR滤波器是一种非递归滤波器,其输出只与当前输入和有限数量的以前输入相关。
其主要特点是具有线性相位响应和稳定性。
FIR滤波器通过卷积运算来实现滤波的功能,其中滤波器的系数是其关键部分。
接下来,我们将讨论如何将FIR滤波器设计为基于FPGA的硬件实现。
在FPGA设计中,我们可以使用硬件描述语言(如VHDL或Verilog)来描述FIR滤波器的功能和行为。
然后,我们可以使用FPGA设计工具(如Xilinx Vivado)将这些硬件描述转换为可在FPGA芯片上实现的逻辑电路。
在进行优化设计时,可以采用以下几种方法:1.并行计算:由于FPGA具有高度的并行性,我们可以利用并行计算来加速FIR滤波器的运算。
可以将输入信号分成多个并行通道,并在每个通道上独立地进行滤波计算。
2.流水线设计:流水线设计可以进一步提高FIR滤波器的运算效率。
可以将滤波器的计算分成多个阶段,并使每个阶段的计算互相重叠。
这样可以实现更高的吞吐量。
3.系数优化:FIR滤波器的计算涉及到滤波器的系数乘法和累加操作。
可以通过使用定点算法和优化系数位宽等方法来减少计算的复杂度。
此外,还可以使用现成的IP核来实现FIR滤波器。
例如,Xilinx Vivado中提供了用于FIR滤波器的IP核。
这些IP核具有预先优化的代码和配置选项,可以帮助我们更方便地实现FIFO滤波器。
另一方面,我们还可以采用硬件/软件协同设计的方法来优化FIR滤波器的设计。
在这种方法中,可以将一部分滤波器的计算任务转移到CPU上进行处理,以减轻FPGA上的计算负载。
基于FPGA的FIR滤波器设计论文
基于FPGA 的FIR 滤波器设计数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。
数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理,以达到改变信号频谱的目的。
数字滤波器是一个离散系统,该系统能对输入的离散信号进行处理,从而获取所需的有用信息。
在数字信号处理中,FIR 数字滤波器是最常用的单元之一。
它用于将输入信号x [n ]的频率特性进行特定的修改,转换成另外的输出序列y [n ]。
FIR(Finite Impulse Response)滤波器:有限长单位冲激响应滤波器,是数字信号处理系统中最基本的元件,它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性,同时其单位抽样响应是有限长的,因而滤波器是稳定的系统。
因此,FIR 滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。
有限长脉冲响应(FIR )滤波器的系统函数只有零点,除原点外,没有极点,因而FIR 滤波器总是稳定的。
如果他的单位脉冲响应是非因果的,总能够方便的通过适当的移位得到因果的单位脉冲响应,所以FIR 滤波器不存在稳定性和是否可实现的问题。
它的另一个突出的优点是在满足一定的对称条件时,可以实现严格的线性相位。
由于线性相位滤波器不会改变输入信号的形状,而只是在时域上使信号延时,因此线性相位特性在工程实际中具有非常重要的意义,如在数据通信、图像处理等应用领域,往往要求信号在传输和处理过程中不能有明显的相位失真,因而线性相位FIR 滤波器得到了广泛的应用。
长度为M 的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H (z )描述:10()()M k k H z h k z --==∑它是次数为M-1的z -1的一个多项式。
在时域中上述有限冲激响应输入输出关系为:10()()()M k y n h k x n k -==-∑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,如图所示。
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。
基于FPGA技术的FIR数字滤波器的设计
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 静 且需要M个乘法器和( M—1个双输入加法器 来实现 。 ) 图l 中显示 了一个典型的直 接I 阶F R 型4 I 滤波器 , 其输出序列y 执 束瓣 一 ~ () 足 下 列 等 式 : n满
应 用 研 究
基于 F G P A技术的 F R数字滤波器的设计 I
李俊 ’刘淮霞 ,朱丹 ,贺曼2
(. 1 安徽理工大学电气与信息工程 学院 安徽淮南 22 0 ;2西安交通大学电气工程学院 陕西西安 70 4) 30 1 . 10 9
摘要 : 数 字化技 术在 各 个领 域得 到广 泛 运 用的今 天 , 字滤波 器是 数 字 系统 中信 号 处理 关键 的一 环 。 字滤 波器和 模拟 滤 波 器相 比具有 在 数 数 更 高的精 度 、 噪 比 , 及不 可 比拟 的 可 靠性 。 于在 性 能 、 信 以 由 成本 、 活性和 功耗 等方 面 的优 势 , 于F GA的信 号 处 理 器 已广泛 应 用 于各 种信 灵 基 P
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图 2D ule 设 计 流 程 SP B i r d
在这个FR滤波器 中 , I 总共存 在3 个延时节,个乘法单元, 4 一个 4 入 的加 法 器 。 输
1 I 、FR数字滤波器设计原理
有 限长脉冲响 应( I 滤波器 的系统 函数 只有零点 , F R) 除原 点 外 , 有 极 点 , 而 FR滤 波 器 总 是 稳 定 的【 没 因 I 长度 为M的因果有 限冲激 响应滤波器 由传 输函数H() z 描述 :
基于FPGA的FIR低通滤波器的设计与实现
基于FPGA的FIR低通滤波器的设计与实现
丁伟
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2013(033)010
【摘要】论文主要研究基于FPGA技术、采用分布式算法实现FIR低通滤波器的原理和方法.该设计利用Matlab工具箱设计窗函数计算FIR滤波器系数,并用QuartusⅡ进行硬件仿真,仿真结果表明设计FIR滤波器的正确性.最后以16阶的FIR低通滤波器为例,给出了仿真波形、硬件验证方法和实际测量结果.
【总页数】3页(P117-119)
【作者】丁伟
【作者单位】江苏科技大学张家港215600
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
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4.基于FPGA的FIR低通滤波器的设计与仿真实验 [J], 黄胜券
5.基于FPGA的FIR低通滤波器设计与实现 [J], 叶敏[1];孙国强[1];张淑玲[2]
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基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计
EDA设计基础实验课程论文题目基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计学院通信与电子工程学院专业班级通信111班学生姓名霍守斌指导教师大力会目录摘要 (I)Abstract............................................................ I I 第1章绪论 (1)1.1 课题的目的和意义 (1)1.2 FPGA技术的发展及应用 (2)1.3FPGA软件设计工具Quartus II (3)第2章FIR数字滤波器的理论研究及分析 (5)2.1数字滤波器的理论基础 (5)2.2 数字滤波器的分类 (5)2.3FIR数字滤波器的设计方法 (6)第3章FPGA DSP系统设计分析 (7)3.1DSP的基本概念 (7)3.2 FPGA实现DSP的特点 (8)3.3DSP Builder设计工具及设计规则 (9)第4章基于FPGA的FIR低通滤波器设计 (12)4.1设计方案 (12)4.2FDATool滤波器设计 (12)4.3FPGA定点数的确定 (14)4.3.1导出系数文件 (14)4.3.2FPGA定点数转换 (15)4.4FIR滤波器模型的建立 (17)4.4.1乘加子系统的搭建 (17)4.4.2滤波器模块的添加和模块参数设置 (21)4.4.3各模块的连接 (27)第5章Simulink仿真 (29)5.1 仿真时间设定 (29)5.2示波器模块显示 (29)5.3仿真结果分析 (31)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)附录 (36)附录1 FIR滤波器仿真模型图 (36)附录2 FIR滤波器测试模型图 (37)附录3 FPGA定点数转换程序 (37)摘要在现代通信领域中,FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信号处理的基本模块之一。
在实践中,往往要求对信号处理有实时性和灵活性,而已有的一些软件和硬件的实现方式则难以同时到达这两方面的要求。
基于FPGA的FIR滤波器设计
长春理工大学毕业设计摘要在现代电子系统中,FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用, 随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展,使用FPGA来实现FIR滤波器,既具有实时性,又兼顾了一定的灵活性,越来越多的电子工程师采用FPGA器件来实现FIR 滤波器。
本论文对基于FPGA的FIR数字滤波器实现进行了研究,以FIR数字滤波器的基本理论为依据,并且采用查找表以及线性FIR波器的对称性特点使得硬件规模极大的减小。
为了验证仿真结果的正确性,文中应用了MATLAB和VHDL联合仿真方法对设计的电路进行仿真测试,结果达到设计指标。
并用MATLAB对仿真结果进行了分析,证明了所设计的FIR数字滤波器功能正确。
关键词: 有限脉冲响应现场可编程门阵列查找表窗函数仿真ABSTRACTIn the modern electrical system, the FIR digital filter is used for many practical applications for its good linear phase character, Along with the development of PLD device and EDA technology, more and more electrical engineers use FPGA to implement FlR filter, as it not only meet the real-time requirement, but also has some flexibility.In this paper, a method to implement the FIR filter using FPGA is proposed. According to the basic theory of FIR filters, the thesis reduces it with the use of multiple coefficient memory banks and the symmetry characteristic of linear FIR filter. In order to make the verification more available, the complex simulation with Matlab and VHDL is used to testify the design whether fulfills the requirement. And also the result of the simulation is analyzed with the use of MATLAB, and it proved that the function of the design is correct.KEYWORDS: FIR FPGA Windows Function Simulation目录第一章绪论 (1)1.1背景和选题依据 (1)1.2国内外研究现状和发展动态 (2)1.3论文研究的目的和主要内容 (2)第二章FIR滤波器的结构及设计 (4)2.1 FIR数字滤波器基础 (4)2.2 FIR数字滤波器的基本结构 (5)2.3 FIR数字滤波器的设计 (7)第三章FPGA在设计中的具体应用 (10)3.1硬件电路的设计方式 (10)3.2 FPGA简介 (11)第四章基于FPGA 设计FIR滤波器 (17)4.1指标的确定 (17)4.2 Matlab在设计中的应用 (17)4.3 16阶FIR滤波器的结构 (20)4.4 采用查找表方式的FIR滤波器 (23)第五章总结与展望 (30)5.1总结 (30)5.2发展 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第一章绪论1.1背景和选题依据本课题的研究背景是针对数字信号处理实验室的需要而开展的工作。
电子科大毕设——基于FPGA的FIR滤波器的设计(第三章)
第3章 基于FPGA 设计FIR 滤波器在前面几章讨论了基于FPGA 设计FIR 滤波器的相关原理及其相关的基础知识。
在本章中将针对前面提到的原理和方法进行进一步的应用和组合。
3.1 指标的确定在本文的设计中,所确定的指标如下:(1) 带宽100MHZ ,最小阻带衰减-35db ,带内波动小于2db 。
(2) 综合仿真。
(3) 设计出满足上述性能指标并且所需资源最少的FIR 滤波器。
(4) 阶数:22。
3.2 设计思路将输入信号的每一位通过四个延时器后,以每位信号的4个引出点作为选择控制端,选择出己经算好的系数,每一位信号选取存储器中的不同位上的数值,达到乘法移位的功能,并送到累加器。
累加器将8位信号选择出的8个数据累加后输出,得到滤波结果。
为了充分利用FPGA 中四输入查找表的电路结构,采用每8节为滤波器的一个基本单元.对于64节滤波器的设计,采用8个基本滤波单元。
3.2.1 FIR 滤波器的基本算法(1) 加法器的设计加法器是数字系统中最常用的运算电路,其他运算电路如减法器、乘法器和除法器等都可以利用加法器来实现,在本设计的中也大量的使用到了加法器。
一个基本N 位二进制加法器/减法器由N 个加法器组成。
每个加法器都执行如下的布尔方程[19]:k x =k s XOR k y y XOR k k k k c y x c ⊕⊕= (3.1)进位位按如下方法计算:1+k c =(k x AND k y ) OR (k x AND k c ) OR (k y AND k c )=(k x k y )+(k x k c )+(k y k c ) (3.2) 最简单的加法器结构称为并行加法,如图 3.4所示,是位串行格式的。
图3.4并行加法器在quartusII中提供宏模块lpm_add_sub来构造加法器和减法器。
表3.1列出了lpm add_sum 的基本逻辑参数[19]。
(2)乘法器的设计乘法器是构成DSP系统的基本部件,也是FIR数字滤波器的基本运算。
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毕业设计(论文)题目(中文):基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计(英文):The Design of FIR Digital Filter Based on FPGA上海师范大学天华学院本科毕业设计(论文)诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文),题目《基于FPGA 的FIR数字低通滤波器的设计》是本人在指导教师的指导下,进行研究工作所取得的成果。
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作者(签名):日期:2012年04月27日毕业设计(论文)任务书(2012届)题目(中文):基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计(英文):The Design of FIR Digital Filter Based on FPGA系部电子与信息工程系专业班级电子信息工程08秋1班日期: 2011 年 10 月毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?□优□良□中□及格□不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意?□优□良□中□及格□不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩:□优□良□中□及格□不及格(在所选等级前的□内画“√”)指导教师:(签名)单位:(盖章)年月日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?□优□良□中□及格□不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意?□优□良□中□及格□不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩:□优□良□中□及格□不及格(在所选等级前的□内画“√”)评阅教师:(签名)单位:(盖章)年月日教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?□优□良□中□及格□不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意?□优□良□中□及格□不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩:□优□良□中□及格□不及格(在所选等级前的□内画“√”)教研室主任(或答辩小组组长):(签名)年月日教学系意见:系主任:(签名)年月日1、毕业设计(论文)的主要内容与具体要求(任务及背景、工作环境、成果形式、着重培养的能力、有实验环节的要提出主要技术指标、要求)(一)毕业设计(论文)主要内容及主要技术指标、要求1.主要内容在数字信号处理中,利用数字滤波器可改变信号中所含频率分类的相对比例或滤除某些频率分量,使其达到所需要的效果。
其中数字FIR滤波器由于具有精确的线性相位,且系统稳定,所以广泛应用于通信、数字图像处理、语音信号处理等方面。
在平台级FPGA器件中集成了数字信号处理的硬件模块之后,利用FPGA实现数字信号处理算法可以满足信号处理系统所提出的高性能要求,因此得到越来越广泛的应用。
(1)对数字滤波器进行研究,初步了解其在国内外的相关发展。
方式:要求学生结合网络进行查找、学习相关文献资料,对研究对象进行初步的了解。
(2)对FIR低通滤波器设计的方法进行研究,熟悉设计过程。
方式:根据相关知识内容及指导教师提供的PDF文档进行整理学习,熟练掌握其理论知识。
(3)了解Altera公司将MathWorks MATLAB和Simulink系统级设计工具DSP Builder的算法开发,仿真和验证功能。
(4)结合前期对FIR低通滤波器设计方法以及FPGA开发知识的了解和学习,规划本毕业设计的主体框架。
(5)实现和仿真具体实现要求:①根据滤波器指标,利用MATLAB滤波器设计工具设计一低通滤波器;②构建相关测试信号对设计的滤波器进行测试和分析;③然后根据实际需要将系统导出并量化,在Simulink中使用Simulink库和DSP Builder库建立设计模型,并在Simulink中仿真;④最后将模型转换成为VHDL代码下载到FPGA进行硬件测试。
(可选)(二)毕业设计(论文)的基本要求1.认真、独立完成不少于5000字或10000字符的《外文科技文献译文》,按照学校规定的译文要求和格式撰写。
2.认真、独立完成不少于10000字的毕业设计(论文)报告的写作,按照学校规定的论文要求和格式撰写。
3.毕业设计报告要求包含:(1)数字滤波器在国内外的发展及FIR低通滤波器设计方法的研究(2)FIR低通滤波器的MATLAB实现(3)Matlab仿真的结果,包括各个阶段信号的曲线(4)Simulink仿真的结果,包括各个阶段信号的曲线4.及时与指导老师进行沟通,按计划完成毕业设计(论文)报告的写作和答辩工作。
二、毕业设计(论文)进度安排起讫日期工作内容备注1. 2011.10.17 ~10.21(第7周)完成英文资料翻译2. 2011.10.22 ~10.28(第8周)接受《毕业设计(论文)任务书》。
查阅文献资料、撰写文献综述报告,准备参考资料3. 2011.10.29 ~11.11(第9~10周)完成毕业设计(论文)开题报告4. 2011.11.12 ~ 12.30(第11~19周)开始毕业设计,按照设计要求,进行完成设计方案5. 2012.1.14~ 2.20 寒假6. 2012.2.21 ~ 3.2(第1~2周)毕业设计中期检查7. 2012.3.3 ~ 3.23(第3~5周)设计仿真、软硬件联调,实验测试8. 2012.3.26 ~ 4.22(第6~10周)整理、撰写毕业设计报告9.2012.4.23~ 4.30(第11周)答辨三、所需的资料和主要参考文献参考资料:[1] 马建国,孟宪元. 电子设计自动化技术基础[M].北京:清华大学出版社, 2004[2] 孟宪元,钱伟康. FPGA嵌入式系统设计[M].北京:电子工业出版社, 2007[3] Michael D.Ciletti. Verilog HDL高级数字设计[M].北京:电子工业出版社, 2005[4] 徐光辉,程东旭,黄如等. 基于FFGA的嵌入式开发和应用[M].北京:电子工业出版社,2006[5] Steve Kilts. Advanced FPGA Design[M].New York:Wiley-IEEE Press, 2007[6] D.A.Pucknell,K.Eshraghian. 超大规模集成电路设计基础—系统与电路[M].北京:科学出版社,1993[7] 刘明彰. 基于FPGA的嵌入式系统设计[M].北京:国防出版社, 2007[8] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003[9] Altera Corpoation,San Jose,CA. DSP Builder User Guide[EB/OL],2007[10] Altera Corpoation. Stratix Device[EB/OL],2004注:1. 本任务书一式两份,须双面打印。
由指导教师填写并经所在系审核确认后交系部;2. 本任务书一份须与学生的毕业设计(论文)一并存档,另一份系部存档;3. 指导教师、学生可各执一份复印件,供检查论文进度时使用。
上海师范大学天华学院2012 届毕业设计(论文)开题报告设计(论文)题目基于FPGA的FIR数字低通滤波器的设计学生姓名胡修远学号08031145 专业、班级电子信息工程08秋1班系部电子与信息工程系指导教师姓名/职称刘浩斌张葵/副教授讲师建议从以下方面填写:1. 简述课题的作用和意义 2. 国内外的现状和发展趋势等情况(文献综述),尚待解决的问题;3. 重点介绍完成任务的可能思路、方案和计划;4. (工科类专业需填写)所需的主要仪器和设备等。