基于FPGA的FIR低通滤波器的设计与实现.pdf

本文介绍了基于现场可编程门阵列（FPGA）技术，采用分布式算法实现有限冲击响应（FIR）低通滤波器的原理和方法。FPGA作为一种灵活可编程的硬件技术，被广泛用于数字信号处理（DSP）任务中，其具有并行处理能力和硬件资源丰富等特性，使得其在高速信号处理方面展现出优势。分布式算法是一种用于实现乘累加运算的方法，与传统算法相比，它通过预先计算部分积并逐步累加，能够减少所需的乘法器和累加器的数量。 在数字信号处理中，FIR滤波器因其稳定性和能够保证精确的线性相位特性而被广泛应用。FPGA技术的发展和优化，为FIR滤波器的设计与实现提供了新的途径。FPGA设计滤波器的方法多种多样，其中包括使用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件等实现方式。然而，这些方法存在一定的局限性，例如通用数字滤波器字长和阶数规格较少，DSP器件执行速度受限等。FPGA则克服了这些限制，具有很好的可编程特性和规整的内部逻辑阵列，特别适合于数字信号处理任务。 分布式算法的核心是分布式算术，这种方法可以显著提高乘累加运算的效率。在FIR滤波器的硬件实现中，分布式算法通常采用串行、并行或表分割简化规模等方式。本文的设计方法综合考虑了运行速度和电路规模两个因素，采用了基于查找表的高采样FIR滤波器设计。这种设计不仅在速度上有显著提升，而且极大地减少了资源占用。 本文的设计指标是基于Altera的FPGA核心板EP2C35实现一个16阶低通FIR滤波器，其采样频率为80kHz。设计者通过Matlab工具箱设计窗函数来计算FIR滤波器的系数，并利用Quartus II软件进行硬件仿真。仿真结果验证了设计FIR滤波器的正确性。 在论文中，作者丁伟利用了Matlab工具箱设计窗函数来计算FIR滤波器系数，然后用Quartus II软件进行了硬件仿真，通过这些步骤完成了FPGA的开发流程。利用FPGA开发FIR滤波器的优势在于其能够缩短开发周期，且易于在不同的FPGA平台之间移植，具有良好的移植性。此外，FPGA硬件设计可以通过不同的综合和布局布线策略来优化资源使用和性能表现。 为了实现FIR滤波器，设计者通过使用Matlab来完成滤波器系数的计算，这是因为Matlab提供了强大的数学计算和信号处理功能，可以方便地设计窗函数，并计算出精确的滤波器系数。这些系数随后用于FPGA的设计中，通过Quartus II这样的综合工具将算法逻辑转换为硬件逻辑结构，最终在FPGA上实现。 整个设计流程中，硬件仿真和后续的硬件验证是非常关键的步骤。硬件仿真能够在设计阶段发现并修正问题，而硬件验证则是在实际硬件上进行的测试，以确保FPGA实现的滤波器能够达到设计指标和功能要求。通过实际测量来获取FIR滤波器的性能数据，以此来验证设计的正确性和有效性。 本文通过实例展示了如何利用FPGA设计实现高效率和高性能的FIR低通滤波器。这不仅展示了FPGA技术在数字信号处理领域的应用潜力，而且提供了设计和实现FPGA滤波器的一套完整方法和过程，具有较高的参考价值。