基于FPGA的数字滤波器Word文件下载.docx
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专业:
测控技术与仪器学号:
********
指导教师姓名:
蔡静之
论文提交时间:
2014年5月19日
论文答辩时间:
2014年5月24日
学位授予时间:
2014年6月15日
北方民族大学教务处制
摘要
本论文设计了一个基于FPGA(现场可编程逻辑门阵列)FIR(有限脉冲响应)31阶低通滤波器,通带截止频率为0.1MHz,通带波纹最大1dB,阻带最小衰减-50dB,数据的输入输出宽度为8位,采样频率5MHz。
滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器,在信号系统邻域中,一般除了A/D转换前期的滤波和D/A转换后的滤波使用模拟滤波器,基本上其他的滤波一般优先考虑数字滤波器。
数字滤波器与模拟滤波器相比有许多的优点:
频域易控制,性能指标好;
容易实现线性相位的系统,而且稳定,基本上不受外界影响;
可重用性和灵活性比较高,只需编程就可以修改其特性,设计周期短。
数字滤波是推动数字信号处理与相关芯片快速发展的一个要素。
本论文的FPGA芯片选用Altera公司Cyclone2系列的EP2C8Q208C8N芯片,模数转换使用ADC9280,数模转换使用DAC9708,来实现数字滤波器,FPGA与ASIC、DSP相比,具有明显的优势,在功耗,体积,成本都优于ASIC、DSP,并且处理效率高,可编程性好,并行处理能力非常强,能完成DSP很难完成的许多功能。
本论文首先简单的介绍数字滤波器、FIR滤波器、FIR的窗口函数选择以及FPGA分布式算法的实现,并对系统硬件各功能模块进行了说明;
然后根据系统总体设计的要求指标,使用MATLAB来设计确定系数,因为FPGA不能表示浮点数,所以对系数进行了量化,使用verilogHDL硬件语言编程,Modelsim进行功能仿真;
最后使用实物来验证结果,并达到预期的目的。
关键词:
FPGA,FIR滤波器,MATLAB,分布式算法
ABSTRACT
Inthisthesis,theFIR(FiniteImpulseResponse)31-orderlow-passfilterbasedonFPGA(programmablelogicdevice),passbandcutofffrequencyof0.1MHz,themaximumpassbandripple1dB,stopbandminimumattenuation-50dB,inputdataTheoutputwidthis8,thesamplingfrequency5MHz.
Filterintotheanaloganddigitalfilters,intheneighborhoodofthesignalsystem,generallyinadditiontoA/Dconversionusingtheanalogfilterpre-filterfilteringandD/Aconversion,substantiallytheotherdigitalfilteringisgenerallypreferredfilter.Comparedwiththeanalogfilterdigitalfilterhasmanyadvantages:
easytocontrolthefrequencydomain,agoodperformance;
easytoachievelinearphasesystems,andstable,essentiallyfreefromoutsideinfluence;
reusabilityandflexibilityisrelativelyhigh,onlyprogrammingcanberequiredtomodifyitsproperties,shortdesigncycle.
Digitalfilteringisanimportantelementtopromotetherapiddevelopmentofdigitalsignalprocessingandrelatedchips.Inthispaper,Altera'
sFPGAchipselectionCyclone2seriesEP2C8Q208C8Nchips,analogtodigitalconversionusingADC9280,digitaltoanalogconversionusingtheDAC9708,toimplementdigitalfilters,FPGAcomparedtoASIC,DSP,hasobviousadvantagesinpowerconsumption,size,costsarebetterthanASIC,DSP,andhighefficiency,goodprogrammableparallelprocessingcapabilityisverystrong,abletocompletemanyofthefeaturesDSPdifficulttoaccomplish.
Thispaperfirstintroduces,digitalFIRfilterandFIRfiltersandwindowfunctionselectionandFPGAdistributedalgorithms,andsystemhardwareofthefunctionalmodulesaredescribed;
thenindexsystemaccordingtotherequirementsoftheoveralldesign,theuseofMATLABtodesignedtodeterminethecoefficientscannotberepresented.
Keywords:
FPGA,FIRfilter,MATLAB,Distributedalgorithms
前言
随着数字信号处理理论的快速发展和数字信号处理器的产生,信号处理的面貌彻底改变了,并广泛应用在各个领域,而且对系统的实时信号处理要求越来越高,所以对滤波器的处理速度,宽带等性能要求也不断地要提高,即滤波器的好坏直接影响系统的稳定性和后续的处理。
根据单位脉冲响应的不同,数字滤波器进一步又分为有限脉冲响应(FIR)滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器两大类,如果在相同的设计要求下,IIR方式滤波器的计算量比较少,但线性相位响应不是很理想,并且系统也不稳定,FIR方式的滤波器计算工作量比较大,但是能设计任意幅频特性的滤波器,并且保证了良好的线性相位特性和稳定的系统,所以研究FIR滤波器技术具有及其重要的意义。
如今FPGA成为数字信号处理系统的主流器件,尤其是在数字通信、网络、视频和图像处理等相关的领域。
现在的FPGA芯片不仅包含查找表、寄存器、多路复用器和分布式块存储器结构,而且还嵌入了专用的快速加法器、乘法器和输入与输出设备等。
FPGA芯片高速并行的运算能力非常强具,因而它就顺其自然的成为高性能数字信号处理的理想器件。
数字滤波器在FPGA中实现的方法不同对所耗FPGA的资源就不同,而且对滤波器的性能影响也有很大。
其中有限脉冲响应(FIR)滤波器能设计任意幅频特性的同时还能保证严格的相位关系。
在语音等数据传送中得到广泛应用。
对于信号的处理实现一般分为两大类,一类是软件实现,使用一些高级的语言MATLAB,C/C++等,可以在计算机上实现,它主要用于数学的处理和相关的仿真,但实时性差。
另一种就是硬件实现,目前硬件的实现的方式为:
可编程DSP芯片是实现,但由于固定的硬件结构和流水等级,在应用上有一定的限制,并且就同一公司的不同系列的DSP芯片,编程指令也会有所不同,大大提高了开发周期;
采用专用的集成电路ASIC来实现,它体积小保密性好,性能高,灵活性极差,开发成本高;
采用可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)它具有灵活的可编程逻辑,信号处理实时性好,开发周期短与开发成本低的优点。
第1章系统总的设计
1.1系统设计任务与要求
1.1.1系统设计任务
本设计中的数字滤波器,采用Altera公司Cyclone2系列的EP2C8Q208C8N芯片来实现。
用AD9280对复合的低频和高频模拟信号进行采集,经过通过EP2C8Q208C8N进行处理滤掉高频模拟信号,最后通过DA9708输出。
图1-1为系统总方框图系统示意图。
图1-1系统示意图
1.1.2系统设计要求
1、本文设计需要设计的数字滤波器的性能指标如下:
a.数字滤波器的类型:
FIR低通滤波器。
b.输入输出数据的位宽:
8位。
c.通带截止频率:
0.1M。
d.采样频率:
5M。
e.最小通带波纹:
1dB。
f.最小阻带衰减:
-50dB。
2、根据设计指标要求,详细分析FIR低通滤波器设计需求,来进一步分析进行FIR滤波器的实现方法和设计思路。
在完成FIR低通滤波器实现方法和设计思路后,利用MATLAB工具箱中的信号处理工具(FDATool)求出FIR滤波器的脉冲响应,并用Simlink验证滤波器的性能是否达到要求,并选择使用FPGA来实现FIR滤波器的方法,最终用veriolgDHL语言来编程实现,通过Modelsim功能仿真,QuartusII编译,最后使用FPGA与A/D、D/A,信号源和示波器进行测试验证设计的结果。
1.2重点研究内容与实现方法
1.2.1重点研究内容
设计的内容包括FIR低通滤波器的系数确定、FIR滤波器FPGA的实现方法设计、软件设计及实物的功能测试。
系数确定主要包括设计出符合设计性能指标的滤波器,并用MATLAB求出滤波器的系数;
软件设计部分主要是MATLAB验证、根据算法实现的方法编写verilogHDL代码程序,以及Modelsim和QuartusII的功能仿真和编译引脚分配;
实物验证是把符合性能指标的信号从复合信号中提取出来,滤除掉不需要的信号。
1.2.2实现途径及方法
本设计任务主要通过查找相关资料、进行设计需求的分析、FIR滤波器的系数确定,以及FPGA的FIR滤波器的实现方法。
通过MATLAB、Modelsim软件进行性能和功能的仿真,最后根据实物来验证设计的性能结果。
第2章数字滤波器简述与实现方法
2.1数字滤波器概述
2.1.1数字滤波器的分类
数字滤波器用线性常系数差分方程表示为[1]:
(2.1)
等效的域传递函数表示为[1]:
(2.2)
如果中至少有一个不为零,则域的系统函数至少会有一个不为零极点,此时单位脉冲响应无限长,那么该滤波器称为无限脉冲响应数字滤波器(IIR),IIR滤波器相位是非线性的,但得到比较好的幅度特性;
如果的值全为零;
则域的系统函数只有零点,此时单位脉冲响应有限长,那么该滤波器称为有限脉冲响应数字滤波器(FIR)[1]。
FIR滤波器相位是线性的,因而广泛应用。
2.1.2数字滤波器的技术要求
假设,的傅里叶变换存在,则数字滤波器的输入输出频率响应为:
(2.3)
数字滤波器按幅频特性分为低通、高通、带通、带阻四种基本类型,本设计为低通[1]。
图2-1为数字滤波器(低通滤波器)的幅度特性。
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- 基于 FPGA 数字滤波器