基于FPGA实现线性FIR数字滤波器.doc资源-CSDN文库

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摘要

在宽带信号处理中，常常利用目标回波的频谱特性进行目标检测和分类，

为了保证其准确性，对接收到的回波必须进行频谱分析。实际上常用的方法是

通过滤波器组进行处理的。因此在设计上采用同一结构的 FIR 滤波器，通过调

整参数实现不同频率段的滤波。

根据 FIR 滤波器可以很方便地实现线性相位的特性和稳定性在设计中提出

了一种采用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现线性 FIR 数字滤波器，利用分布

式算法的并行处理的高效的特点，对于在 FPGA 中实现 FIR 滤波器的关键——

乘加运算，给出将乘加转化为查找表结构实现乘法器，并利用多级流水线方式

实现运算。降低了对查找表的存储容量的需求，并且不影响系统的速度。用

VHDL 语言编写了程序。

关键词：有限冲击响应滤波器，现场可编程门阵列器件，查找表，分布式，

流水线

目录

一.绪言-------------------------------------------------------------1

1.1 课题背景-------------------------------------------------------1

1.2 课题研究的目的和意义-------------------------------------------2

二.滤波器设计原理---------------------------------------------------3

2.1 滤波器的基本概念-----------------------------------------------3

2.1.1 滤波原理 --------------------------------------------------3

2.1.2 滤波器的分类-----------------------------------------------4

2.1.3 数字滤波器结构的表示方法-----------------------------------5

2.2 有限冲击响应(FIR)滤波器的基本概念-----------------------------6

2.2.1 有限冲击响应(FIR)滤波器的特点------------------------------6

三.FIR 数字滤波器的设计思路------------------------------------------8

3.1 线性相位 FIR 滤波器特点----------------------------------------8

3.1.1 单位冲击响应 h(n)的特点------------------------------------8

3.1.2 线形相位的条件--------------------------------------------8

3.2.线性相位 FIR 滤波器的设计--------------------------------------9

3.2.1 设计基础--------------------------------------------------9

3.2.2 流水线技术的应用-------------------------------------------9

3.2.3 分布式算法的运用------------------------------------------10

3.2.4 采用查找表结构--------------------------------------------11

3.2.5 采用 FPGA 来实现-------------------------------------------13

四.系统的设计与实现------------------------------------------------15

4.1 滤波器的设计指标----------------------------------------------15

4.2 系统具体实现步骤---------------------------------------------15

4.2.1 计算 FIR 数字滤波器的滤波系数------------------------------15

4.2.2 FIR 数字滤波器的 VHDL 实现---------------------------------18

4.2.2.1 概要-------------------------------------------------19

4.2.2.2 详细说明----------------------------------------------20

4.2.2.3 输出数据分析------------------------------------------28

五.总结------------------------------------------------------------29

六.参考文献--------------------------------------------------------29

一.绪言

1.1课题背景

信号处理的内容含滤波、均衡、放大、噪声消除、信号产生、检测、运算和

参量提取等许多方面。

数字信号处理是采用数值计算的方法，完成对信号的处理，而模拟信号处理

则是通过一些模拟器件，例如晶体管、电阻、电容、电感等，完成对信号的处

理。当然可以在系统中增加数模转换器和模数转换器，这样数字信号处理系统也

可以处理模拟信号模拟系统也可以处理数字信号。但是随着计算机的普及，有人

认为目前已成为数字万能的时代了。我们知道，作为一次信息源，或称原始信号

源，多半产生如语音、图像等模拟信号。它的重要性今后也不会改变。考虑到这

一事实，以及由于数字计算机和大规模集成电路(LSI)的发展，就产生了模拟信

号的数字处理的设想，从而形成了一套完整的数字信号处理技术理论，开发出各

种系统，这在技术发展史上也可以说是必然的。

数字信号处理技术是以数字滤波器和快速傅立叶变换(FFT)为核心的。数字

信号处理技术的应用涉及到很广的范围。20世纪60年代主要是用于研究语言信

号，当时只是按照语言信号分析与合成的需要来制作模拟滤波器，在规模上和灵

活性方面都存在着缺点。为此，广泛采用计算机模拟的方法作为语言信号处理的

研究手段。与此同时，像研究如何用离散系统来代替人们所熟悉滤波器传递函数

那样，对数字信号处理的理论进行研究也很活跃。1965年FFT算法的发展对促进

数字信号处理的发展起了决定性的作用。20世纪60年代末，有关数字信号处理的

论文数量达到了高峰，但处理方法并不像模拟滤波器那样以硬件形式出现，而是

以软件形式出现的。并不是研究人员不想用硬件实现数字滤波器只是直到20世纪

70年代LSI技术得到了发展，才使得用硬件实现数字滤波器成为可能。

数字滤波器是语音与图像处理、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相位特性的严格要求，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征。

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