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基于VHDL的滤波器
《计算机组成原理》课程设计报告
基于VHDL的FIR滤波器设计
摘要:
当今电子技术的发展可谓是与时俱进,电子产品的更新换代更是日新月异。
因而电子设计也由传统的手工设计过程向先进的自动化设计发展(即从CAD到EDA及ESDA:
ElectronicSystemDesignAutomation)。
熟悉并掌握现代设计工具,就成为电子信息设计人员必备的技术。
数字滤波作为数字信号处理技术的重要组成部分,广泛应用于诸如信号分离、恢复、整形等多种场合中,本文讨论的FIR滤波器因其具有严格的线性相位特性而得到广泛的应用。
本设计用硬件语言VHDL来实现FIR数字滤波器功能。
首先介绍VHDL语言的发展和由来、基本结构、规定、优点。
接着简单介绍硬件语言的应用平台MAX+PLUSII软件,FIR滤波器的基本理论,然后通过软硬件结合的方法阐述了滤波器结构化的设计思想和大体的设计流程,最后进入本设计的核心设计部分,用VHDL语言设计FIR滤波器电路,着重对有限长单位冲激响应(FIR)滤波器设计过程进行了详尽的介绍。
设计参数可调的FIR低通滤波器,以EP1K30QC208-2为核心,包括A/D转换电路,数码显示电路,以试验箱提供的模拟信号为输入进行了实际滤波效果的测试。
实验系统的测试表明,与传统的数字滤波器相比较具有更好的实时性,准确性,灵活性和实用性。
关键词:
VHDL;FIR滤波器;EDA;MAX+PLUSII软件;
Abstract
Now,youcansaythattheelectronictechnologyisdevelopingwithaveryhighspeed.Andtheelectronicproductsrenewalspeeditmaybesaidchangeswitheachnewday,soelectronicdesignhasbeenchangingfromthetraditionalmanualdesigntotheadvancedautomateddesign(fromCADtoEDAandESDA:
ElectronicSystemDesignAutomation).Thusisfamiliarwithandgraspsthesemoderndesigntools,hasbecometheelectronicinformationtodesignapersonnelnecessarytechnology.Thedigitalfiltersisanimportantpartofdigitalsignalprocessingandusedwidelyinvarietyofapplicationsuchasasignalseparation,restorationorshaping.FIRfilterdiscussedinthispaperiswidelyusedbecauseofitsstrictphasedistortionsharpcut-offcharacteristic.ThisdesignemphasispointisrealizestheFIRdigitalfilterfunctionwithhardwarelanguageVHDL.ThearticlefirstintroducedtheVHDLlanguage’sdevelopmentandtheirorigin,theirbasicstructures,thestipulationandthemerit.AndthenthatsimplewasintroducehardwaredescriptionlanguageapplicationplatformMAX+PLUSIIsoftwareandthebasictheoryoftheFIRfilter.Thenthemethodwhichunifiesthroughthesoftwareandhardwareelaboratedthefilterstructuredesignthoughtandtheroughlydesignflow.Aftercarriesonthesimpleexplanationtotheprogrammablelogicalcomponent.Finallygoestothecoredesignpart,designingtheFIRfiltercircuitwithVHDLlanguage.IntroducetheprocessofFIRdigitalfilterindetails.DesignedaFIRlowpassfilterthatcouldadjusttheparameters:
themainICisEP1K30QC208-2,includingA/Dconvertcircuitanddigitaldisplaycircuit.Chambertotheanalogsignalinputtothefilteringeffectoftheactualtest.Theexperimentprovethatthissystemisreal-time,veracity,agileandpracticabilitycomparingwiththetraditionalfilter.
Keyword:
VHDLlanguage;FIRDigitalFilterDesign;EDA;MAX+PLUSIIsoftware
目 录
1引言1
1.1课题的背景、目的1
1.2课题设计环境1
2 EDA与VHDL简介3
2.1 EDA介绍3
2.2 VHDL语言介绍6
3串口异步通信的帧格式和波特率8
3.1串行异步通信的帧格式8
3.2串行异步通信的波特率9
4串行发送电路的设计10
4.1波特率发生器的设计10
4.2发送电路的设计10
4.3时序仿真12
5串行接收电路的设计13
5.1波特率发生器和采样时钟的设计13
5.2接收电路的设计16
5.3时序仿真19
6小结20
参考文献21
1引言
几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号的处理问题,其信号的表现形式有电、磁、机械、以及热、光、声等。
信号处理的目的一般是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等。
如何在较强的噪声背景下提取出真正的信号或信号的特征,并将其应用于工程实际是信号处理的首要任务。
数字滤波是提取有用信息非常重要、灵活的方法,是现代信号处理的重要内容。
因而在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用。
相对于模拟滤波器,数字滤波器没有漂移,能够处理低频信号,频率响应特性可做成非常接近于理想的特性,而且精度可以达到很高,容易集成等,这些优势决定了数字滤波器的应用将会越来越广泛。
1.1课题的背景、目的
本次课题是计算机组成原理的课程设计,这次课题旨在通过自己对所需功能芯片的设计与实现来巩固以前所学的计算机硬件基础知识,同时也提高动手实践的能力,还有为将来进行更大规模更复杂的开发积累经验。
随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列(FPGA)为代表的ASIC器件得到了迅速普及和发展,器件集成度和速度都在高速增长。
FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编码逻辑器件的用户可编程特性,可以减少系统设计和维护的风险,降低产品成本,缩短设计周期。
分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法。
它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。
简单地说,分布式算法在完成乘加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进相加形成相应部分积,然后在对各部门积进行累加形成最终结果,而传统算法是等到所有乘积产生之后再进行相加来完成乘加运算的。
与传统算法相比,分布式算法可极大地减少硬件电路规模,很容易实现流水线处理,提高电路的执行速度。
FPGA有着规整的内部逻辑块阵列和丰富的连线资源,特别适合细粒度和高并行度结构特点的数字信号处理任务,如FIR、FFT等。
利用FPGA实现FIR滤波器的设计过程,并且对设计中的关键技术——分布式算法进行详细描述。
1.2课题设计环境
本次课题设计方要用到的开发环境是Altera公司的EDA设计工具软件QuartusII10.1的版本。
2 EDA与VHDL简介
2.1 EDA介绍
EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。
本文所指的EDA技术,主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
(一).EDA常用软件
EDA工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:
EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。
这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同时以可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。
下面按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、
1、电子电路设计与仿真工具
电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE;EWB;Matlab;SystemView;MMICAD等。
下面简单介绍前三个软件。
SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件,是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件,1998年被定为美国国家标准。
1984年,美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE(Personal—SPICE)。
现在用得较多的PSPICE6.2,EWB(ElectronicWorkbench)软件 是InteractiveImageTechnologiesLtd在20世纪90年代初推出的电路仿真软件。
目前普遍使用的是EWB5.2,相对于其它EDA软件,它是较小巧的软件(只16M)。
但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大,几乎100%地仿真出真实电路的结果,并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。
它的界面直观,易学易用。
MATLAB产品族 它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等
2、PCB设计软件
PCB(Printed—CircuitBoard)设计软件种类很多,如Protel;OrCAD;Viewlogic;PowerPCB;CadencePSD;MentorGraphices的ExpeditionPCB;ZukenCadStart;Winboard/Windraft/Ivex-SPICE;PCBStudio;TANGO等等。
目前在我国用得最多应属Protel
(二).EDA的应用
EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。
在教学方面,几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了EDA课程。
主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。
一般学习电路仿真工具(如EWB、PSPICE)和PLD开发工具(如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统),为今后工作打下基础。
科研方面主要利用电路仿真工具(EWB或PSPICE)进行电路设计与仿真;利用虚拟仪器进行产品测试;将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中;从事PCB设计和ASIC设计等。
(三).EDA技术的发展趋势
从目前的EDA技术来看,其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工具多样、软件功能强大。
中国EDA市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域,仅有小部分(约11%)的设计人员研发复杂的片上系统器件。
为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。
在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。
要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)、计算机机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP)等。
有条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞争。
开展“数控化”工程和“数字化”工程。
自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结构。
在ASIC和PLD设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。
在EDA软件开发方面,目前主要集中在美国。
但各国也正在努力开发相应的工具。
日本、韩国都有ASIC设计工具,但不对外开放。
中国华大集成电路设计中心,也提供IC设计软件,但性能不是很强。
相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开花并结果。
据最新统计显示,中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场,年复合增长率分别达到了50%和30%。
EDA技术发展迅猛,完全可以用日新月异来描述。
EDA技术的应用广泛,现在已涉及到各行各业。
EDA水平不断提高,设计工具趋于完美的地步。
EDA市场日趋成熟,但我国的研发水平沿很有限,需迎头赶上。
2.2 VHDL语言介绍
(一)VHDL语言 超高速集成电路硬件描述语(VHSICHardwareDeseriptionLanguage,简称VHDL),是IEEE的一项标准设计语言。
它源于美国国防部提出的超高速集成电路(VeryHighSpeedIntegratedCircuit,简称VHSIC)计划,是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。
1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076(简称87版)之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。
此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。
1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本,(简称93版)。
现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。
有专家认为,在新的世纪中,VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。
VHDL主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外,VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可是部分,及端口)和内部(或称不可视部分),既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。
这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。
(1)与其他的硬件描述语言相比,VHDL具有更强的行为描述能力,从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。
强大的行为描述能力是避开具体的器件结构,从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。
(2)VHDL丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性,随时可对设计进行仿真模拟。
(3)VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。
符合市场需求的大规模系统高效、高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。
(4)对于用VHDL完成的一个确定的设计,可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化,并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。
(5)VHDL对设计的描述具有相对独立性,设计者可以不懂硬件的结构,也不必管理最终设计实现的目标器件是什么,而进行独立的设计。
(二)VHDL语言的特点
(1)作为硬件描述语言的第一个国际标准,VHDL具有很强的可移植性。
(2)具有丰富的模拟仿真语句和库函数,随时可对设计进行仿真模拟,因而能将设计中逻辑上的错误消灭在组装之前,在大系统的设计早期就能查验设计系统功能的可行性。
(3)设计层次较高,用于较复杂的计算时,能尽早发现存在的问题,从而缩短设计周期。
(4)VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。
(5)支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。
(6)对于用VHDL完成的一个确定的设计,可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化,并自动地把VHDL描述设计转变成门级网表。
(7)VHDL用源代码描述来进行复杂控制逻辑的设计,灵活又方便,同时也便于设计结果的交流、保存和重用。
3FIR数字滤波器的基本理论
数字滤波器是完成信号滤波处理功能的,用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统,其输入的是一组数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。
数字滤波器具有稳定高、精度高、灵活性大等突出优点。
随着数字技术的发展,用数字技术设计滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。
3.1FIR数字滤波器的原理
一个数字滤波器的的系统函数可以表示为:
直接由H(Z)得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为
可以看出,数字滤波器是把输入序列经过一定的运算变换成输出序列。
大多数普通的数字滤波器是线性非时变的(lineartime-invariant,LTI)滤波器。
对因果的FIR系统,其系统函数仅有零点(除z=0的极点外),并且因为系数
全为零,所以上述的差分方程就可以简化为
上式可以认为是x(n)与单位脉冲响应h(n)的直接卷积。
数字滤波器根据单位脉冲响应h(n)的时间特性可分为无限长单位脉冲响应(IIR,infiniteimpulseresponse)数字滤波器和有限长单位脉冲响应(FIR,finiteimpulseresponse)数字滤波器两种。
从离散时间域来看,若系统的单位取样响应延伸到无穷之长,称之为IIR系统,若系统的单位取样响应是一个有限长序列,则称之为FIR系统。
FIR滤波器对于IIR滤波器有许多独特的优越性,在保证满足滤波器幅频响应要求的同时还可获得严格的线性相位特性,从而保持稳定。
对非线性相位的FIR滤波器一般可以用IIR滤波器来代替。
由于在数据通信、语音信号处理、图像处理以及自适应处理等领域往往要求信号在传输过程中不可能有明显的相位失真,而IIR存在频率色散的问题,所以FIR滤波器获得了更广泛的应用。
3.2FIR数字滤波器的基本结构
FIR滤波器有直接型,级联型和频率抽样型三种基本结构,其中直接型是最常见的机构。
由于本次设计是采用直接型数字滤波器结构,所以只对直接型结构做讨论。
图3-1直接型结构
这种结构也称为抽头延迟线结构,或称为横向滤波器结构。
从上图可以看出,沿着这条链每一抽头的信号被适当的系数(脉冲响应)加权,然后将所得乘积相加就得到输出y(n)。
转置定理定义为,如果将网络中所有的支路方向倒转,并将输入x(n)和输出y(n)相互交换,则其系统函数H(Z)不变。
将转置定理应用于上图,就可以得出FIR的转置直接型。
图3-2转置直接型结构
3.3线性相位FIR系统的结构
在许多应用领域,例如通信和图像处理中,在一定的频率范围内维持相位的完整性是一个期望的系统属性。
可以证明,如果FIR滤波器的单位取样响应h(n)为实数,而且满足线性相位条件,则滤波器的单位取样响应h(n)满足以下两个条件之一:
偶对称h(n)=h(N-1-n),
奇对称h(n)=-h(N-1-n),
其对称中心在
处。
所谓线性相位特性是指滤波器对不同频率的正弦波所产生的相移和正弦波的频率成直线关系。
图3-3线性相位FIR滤波器结构
上图显示了线性相位FIR滤波器的结构。
可以看出,线性相位FIR滤波器的固有对称属性可以降低所需要的乘法器的数量,它使得乘法器的数量降低了一半,而加法器的数量则保持不变。
3.4FIR滤波器的设计
FIR滤波器设计方法以直接逼近所需离散时间系统的频率响应为基础。
设计方法包括窗函数和最优化方法(等同波纹法)。
其中窗函数设计方法是设计FIR数字滤波器最简单的方法,也是最常用的方法之一。
3.4.1采用窗函数方法设计线性相位FIR滤波器的方法
任何数字滤波器的频率响应
都是w的周期函数,它的傅立叶展开式为:
(a)
其中,
傅立叶系数h(n)实际上就是数字滤波器的冲激响应。
获得有限冲激响应数字滤波器的一种可能方法就是把a式的无穷级数截取为有限级数来近似。
窗函数法用被称为窗函数的有限加权系列w(n)来修正a式的傅立叶级数,以求得要求的有限冲激响应序列
,即有:
=h(n)w(n)
W(n)是有限长序列,当n>N-1及n<0时,w(n)=0。
这里我们仅以冲激响应对称,即h(n)=h(N-1-n)(n=0,1,2,…N-1)时低通滤波器为例进行说明。
低通滤波器的频率响应函数
如下图所示:
,
(b)
在
时为0,其中w为对抽样频率归一化的角频率,
为归一化截止
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