摘 要

近年来，数字信号处理领域的飞速发展得益于数字技术革命所带来的新产品和各式各样的实现方案。在数字信号处理发展如此迅速的今天，在现代电子通讯、视频和图像处理等系统中，对信号处理实时性和灵活性的要求也越来越高，而传统的模拟系统实现信号处理的任务也逐渐转为用数字系统实现。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展，FPGA（现场可编程门阵列）的优势也逐渐体现。而基于FPGA的数字信号处理器件也逐渐被广泛使用。

现代数字信号处理系统的组成部分，不可或缺的就是数字滤波器。IIR（无限脉冲响应）滤波器又是其中非常重要的一种滤波器，它具有很高的滤波效率，在相同的幅频响应条件下，所要求的阶数较低，所以得到极为广泛的应用。本文通过几种不同滤波器结构的对比，选择了较为直观的直接I型结构作为所设计IIR滤波器的基本结构，利用Verilog HDL语言独有的并行处理模式，设计了参数可调节的基于FPGA的IIR滤波器，其参数设置取决于抽样系数，利用Altera公司的Quartus II软件平台对IIR滤波器进行仿真。并且利用MATLAB中FDATOOL工具设计了IIR滤波器，并对MATLAB中现成的几种滤波器函数进行对比分析其幅频响应，并利用切比雪夫型II型函数对IIR滤波器进行量化分析。

关键词：数字信号处理；IIR滤波器；现场可编程门阵列

Abstract

The Digital Technology Revolution brings plenty of new products and solutions，and it also becomes one of the most important factors to boost the field of digital signal processing.Digital signal processing,nowadays, has developed much quickly so that the requires of flexibility and real time are getting increased in modern electronic systems,such as communication system,video system and image system.Also,the missions which used to complete by the traditional DSP now complete by digital systems instead.With the developments of FPGA and EDA technology,digital processor based on FPGA becomes more popular and widely used.

Digital filter is one of the most important part of digital signal processing system.IIR filter is also a very important filter,which has a high filter efficiency,and with the same amplitude-frequency response condition,the require for order is lower,so it has been widely used in many applicants.By comparing different filter architectures,we choose type I,which is more intuitive,as the architecture in this design.Using Verilog HDL language unique parallel processing modes,design a IIR digital filter that parameters can be adjusted and controlled by tap coefficients based on FPGA.By using Quartus II from the Altera company to do simulation analysis of this IIR digital filter.Also,FDATOOL tools provide a easier design method that make it more simple.There are many filter functions in MATLAB that we can use it directly to design and compare their different amplitude-frequency response.And Chebyshev IIR filter function is designed for quantitative analysis.

Key words:Digital signal processing;IIR filter;FPGA

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文研究内容及结构安排 2

第2章IIR数字滤波器理论 4

2.1 IIR滤波器的理论基础 4

2.1.1 IIR滤波器的原理及特性 4

2.1.2 IIR滤波器的结构形式 5

2.1.3 几种结构形式的比较 9

2.1.4 IIR滤波器与FIR滤波器的比较 10

2.2 IIR滤波器的设计方法 10

2.2.1 几种典型的模拟滤波器 11

2.2.2 原型转换设计法 13

2.2.3 直接设计法 14

2.2.4 最优化设计 14

第3章 IIR滤波器的仿真设计 16

3.1 IIR滤波器设计结构和方法 16

3.2 Verilog模型的IIR滤波器 16

3.3 基于FPGA的IIR滤波器的仿真 18

3.3.1 FPGA设计流程 18

3.3.2 Quartus II 平台仿真 19

3.4 MATLAB的对比分析 20

3.4.1 FDATOOL工具设计IIR滤波器 20

3.4.2 量化直接型结构和字长效应 22

第4章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1目的及意义

现如今的社会已是信息数字化。对于这类数字化的信息的处理技术，自从数字技术革命的以来，已经越来越快速壮大。近年来，数字信号处理领域（Digital Signal Processing，DSP）的飞速发展得益于数字技术革命所带来的新产品和各式各样的实现方案。但是随着这些数字信号处理技术的研究和高速发展，传统的模拟信号处理技术已逐渐被日益成熟的的数字信号处理技术所代替。数字计算机的兴起和普及也是数字信号处理发展的一个大因素。为了使计算机更便捷易于使用、更低廉可以服务更多人、轻松小巧方便携带，其内部构成部分及其集成电路构造的技术，也在快速发展。因此，DSP技术也在这一因素中促成发展。而如今的计算机也可以将早先用模拟系统实现信号处理的任务现在转到用更廉价，更可靠的数字系统来实现^[1]。数字信号处理相较于模拟信号处理的滤波技术也具有非常多的好处：数字滤波器的位数决定了设计精度；重现性高，每个部件之间有一致的性能而且数据可进行无衰减的重复复制，且性能不受温度和时间的影响；可进行并行处理。在现代电子系统中，如图像、音频、视频和通信等系统中对信号处理具有灵活性和实时性的要求越来越高，传统的DSP技术显然不能同时满足这些需求。但随着可编程逻辑器件的发展，FPGA （现场可编程门阵列）的出现，既弥补了定制电路中存在的不足，而且克服原有可编程器件门电路有限的缺点。FPGA器件是利用硬件描述语言（Verilog或VHDL）完成电路设计^[2]。FPGA器件，因为其开发期短、可反复变成修改、功能强大等特性，和具有灵活性和实时性方面的信号处理优势，因此基于FPGA的数字信号处理器被广泛使用。

在数字信号处理的过程中，数字滤波器是一项非常重要而且普遍使用的技术。IIR（无限冲击响应）滤波器是在滤波器技术中使用极为广泛的一种，它可以设计出低阶次的结构达到可满足设计要求的较高频率选择。它的这种特性也使其成为应用于现今最普遍的一项数字信号处理技术的滤波器^[3]。

1.2国内外研究现状

对于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称FPGA）的发展，不可避免的经历了艰难的过程。在很久之前人民就曾经设想设计一种逻辑可在编程的器件，但是由于受到当时集成电路工艺的水平限制而未能实现。随着近几十年集成电路的飞速发展，可编程逻辑器件才得以实现，并得到了飞速发展。可编程逻辑器件历经了从PROM（Programmable Read Only Memory）、PLA（Programmable Logic Array）、PAL（Programmable Array Logic）、可重复编程的GAL（Generic Array Logic），到采用大规模集成电路技术的EPLD，直到CPLD和FPGA的发展过程，在工艺、结构、功能、灵活度等方面都有的巨大的改进发展^[2]。FPGA是能够方便快捷实现理论设计的实用性的技术。而且，目前，FPGA被广泛应用到大规模集成电路中。FPGA作为嵌入式技术的基础元件，其成本和功耗也随着设计的发展逐渐降低，因此其应用也从早期嵌入式通信系统扩展到了低成本的消费电子。在FPGA的发展历程中，低成本、低功耗、低电压的绿色节能环保的思想贯穿始终，而且为使其能够最大限度的得到利用，其密度也在逐渐增高，其包含的门系统的数量也在增加，对于像DSP等这类嵌入式的处理器IP也会逐渐的应用FPGA来完成。