摘 要

有限脉冲响应滤波器作为普通器件广泛应用于数字信号处理系统，它的最大优点是可以得到严格的线性相位，这在信号的实时处理中显得非常重要。现代科学的进步对信号处理的实时性和灵活性有了更多的要求，随着可编程器件的快速发展，FPGA技术逐渐显示出了它的优势。本次在对FIR滤波器进行设计的过程中，设计思路运用的是模块化的分割方法，具体操作就是把滤波器划分成不同功能模块，运用VHDL设计方式完成各模块后再级联形成完整的结构。首先使用MATLAB/DSP Builder构成系统级设计框图，进行滤波器系数的计算，考虑到Simulink的图形化仿真、分析功能这两个特点，以此确认本次设计的合理性；然后将模型文件转化为硬件描述语言文件，以供QuartusII软件处理，再进行RTL级仿真；最后在QuartusII中编译用户的设计。

关键词：FIR滤波器；FPGA；DSP Builder；QuartusII

Abstract

Finite impulse response filter as an ordinary device widely used in digital signal processing system， its greatest advantage is strictly linear phase， which is very important in real-time processing signal. Modern scientific advances to real-time signal processing and flexibility have more requirements， with the rapid development of programmable devices， FPGA technology is beginning to show its advantages. Based on the design of the FIR filter， the use of modular design， the whole filter is divided into several functional modules， the use of VHDL design of each module and then cascade manner to form a complete structure. First， using MATLAB / DSP Builder system-level design block diagram of a constitution， the filter coefficients are calculated by using a graphical simulation of Simulink， analysis functional analysis of this design is correct; then the model file into a hardware description language files for software QuartusII treatment， then do RTL simulation; finally compile your design in the QuartusII.

Key Words：FIR filter；FPGA；DSP Builder；QuartusII

目 录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容和预期目标

第2章 系统结构设计与方案选择

2.1 FIR滤波器基本原理及结构

2.1.1基本原理

2.1.2 FIR滤波器的结构形式

2.2 系统方案论证

2.2.1 设计方法的选择

2.2.2 FIR滤波器的系数确定

2.2.3 滤波器的FPGA设计

第3章 FIR滤波器系数的确定

3.1设计过程

3.2 MATLAB仿真

3.3 小结

第4章 FIR滤波器的FPGA实现

4.1 FIR滤波器设计

4.1.1 时钟复位模块

4.1.2 主要控制模块

4.1.3 预处理模块

4.1.4 串并转化模块

4.1.5 查找表模块

4.1.6 累加模块

4.1.7 输出模块

4.2 小结

第5章 系统实现及仿真

5.1 使用MegaCore进行整体生成

5.1.1 滤波器生成

5.1.2 FIR滤波器的ModelSim仿真

5.2 频谱分析

5.3 小结

第6章 结论

参考文献

附 录

致谢

第1章 绪论

1.1 目的及意义

在现代电子数字系统中，滤波器从来都是不可或缺的。过去的模拟滤波器都存在着电压漂移、温度漂移和噪声等一系列缺点，因此会引起较多差错和不可控因素。相比与模拟滤波器，数字滤波器具有稳定性强、精度高、结构精简、操作方便等突出优点，相比于模拟滤波器有更大的优势。FIR滤波器即是有限长单位冲激响应滤波器，另外一个名称是非递归型滤波器。在数字信号处理系统中，FIR滤波器是其中的一个基本组成元件，由于它的单位取样响应是十分有限的，因此具备良好的稳定特性，另外它有严格的线性相位和任意的幅频特性。正是因为数字滤波器组成的系统稳定性极好，而且只具有零点，运算速度也比模拟滤波器更快，并且更加灵活多变，它在一些工程的实际运用在倍受青睐。

伴随现代科技一路走来，电子电路的设计思路已经一步步脱离传统的设计思维，而FPGA在电子电路的设计中的使用，渐变为大势所趋。运用FPGA 设计电子电路的特点在于研发耗时较短，人力物力使用相对少，还可以把电路板级产品集成为芯片级产品。在最近十几年的时间里，FPGA技术的发展是里程碑式的，它在数字滤波器的设计和实现过程中有着不可磨灭的作用。随着可编程器件的普及，FPGA技术应用于FIR滤波器的设计也越来越广泛。FPGA元器件适用于高速并行处理和数据传输这两个过程，相较于其他器件优势明显，所以在前端信号处理中FPGA已经很大程度上替换掉了ASIC和DSP。就目前的行业需求，设计周期短，功能密度高，重组时间短的元器件越来越受到重视。

1.2 国内外研究现状

一般在信号处理时，都会存在外界环境干预，这时就需要把位于某一特定频段的信号挑选出来，而使用的就是滤波器。模拟滤波器的基础元件包括电容、电阻、运算放大器，由以上模拟元件组合成一个具有选频功能的电路。但模拟元件对温度变化、老化这些十分敏感，现代亚微米设计会产生噪音等，这些缺陷是很难消除的，所以目前大多是采用数字方式实现的滤波器代替。在数字信号处理技术蓬勃发展的带动下，采样速率的提高也从未中断。在技术方面，鉴于运算速度、阶数和字长的限制这个短板，采用DSP芯片和集成滤波芯片去实现FIR滤波器已经相当困难。相对而言，FPGA在数据的实时处理过程中具有得天独厚的优势。FPGA在低成本和低功耗两方面都做的很好，基本可以满足周期短、成本低和功耗少的要求，所以可以在嵌入式系统中得到广泛的应用。总的来说，FPGA市场着眼于价值，通俗来讲就是FPGA已在很多对成本高度敏感的市场上表现的尤为出色。而一些驱动力正推动着它飞速发展：其一是FPGA单位成本的快速下跌；其二是半导体工艺技术的不断进步和制造效率的不断提高。FPGA使用率增长的原因主要是全球数字广播电视、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子显示技术以及家用DVR和DVD-W技术应用的不断普及；在汽车行业中，FPGA在驾驶室内娱乐系统、GPS导航系统和信息、通信以及安全系统的应用中也占有一席之地。FPGA在嵌入式系统中扮演的是基础元件的角色，它的发展趋势也是日新月异：逻辑单元持续增多、单位成本和能耗不断降低，而在灵活设计和快速转换这两个方面的能力却始终保持不变。在这些变化的共同促进下，FPGA的使用价值发生了翻天覆地的变化，以往作为建模工具而今发展成为适合中小批量生产的应用器件，而其应用价值也不再是早期的嵌入式通信系统了，早已扩展到低成本的消费电子领域。

当下FPGA的成长方向主要包括一些内容：