FPGA高通滤波器课程设计报告.docx

课程设计报告作品名称： 基于FPGA的高通滤波器的实现 系 别：专 业： 小组成员：指导老师：完成时间：基于FPGA的FIR高通滤波器设计摘要 随着公元二十一个世纪的到来，今天我们进入了一个科技日新月异的时代。在现代电子数字信号系统中，滤波器都以一个不可缺少的身份出现。其中，FIR高通滤波器又以其良好的线性特性被广泛和有针对性的大量使用。众所周知，灵活性和实时性是工程实践中对数字信号处理的基本要求。在以往使用的各种滤波器技术中，不难发现有许许多多的问题。但是，随着现代计算机技术在滤波问题上的飞跃，派生出一个全新的分支高通滤波器。利用可编程逻辑器件和EDA技术，使用FPGA来实现FIR滤波器，可以同时兼顾实时性和灵活性。基于FPGA的FIR高通滤波器的研究势在必行。本论文讨论基于FPGA的FIR高通滤波器设计，针对该项目设计要做的基本工作有如下几点：（一）掌握有限冲击响应FIR（Finite Impulse Response， FIR）的基本结构，研究现有的实现方法。对各种方案和步骤进行比较和论证分析，然后针对目前FIR高通滤波器需要的特点，速度快和硬件规模小，作为指导思想进行设计计算。（二）基于硬件FPGA的特点，利用Matlab软件以及窗函数法设计滤波器。对整个FPGA元件，计划采用模块化、层次化设计思想，从而对各个部分功能进行更为详细的理解和分工设计。最终FIR高通滤波器的设计语言选择VHDL硬件编程语言。（三）设计中的软件仿真使用Altera公司的综合性PLD开发软件Quartus II，并且利用Matlab工具进行对比仿真，在仿真的过程中，对比证明，本论文设计的滤波器的技术指标已经全部达标。关键词：高通滤波器； Matlab； 可编程逻辑元件 III一 前言2（一）本课题研究意义2（二）国内外研究现状分析2（三）研究思路2（四）相关概念说明3二 FIR高通滤波器的设计方法5（一）理论部分51.引言52.FIR高通滤波器的基础53.高通滤波器的设计原理64.Matlab直接FDAtool设计方式解析7（二）程序分析部分81.FPGA 可编程逻辑元件介绍92.Quartus及Verilog HDL介绍103.实际滤波器程序设计（17阶FIR高通滤波器）11三 滤波器仿真滤波12（一）设置混合信号12（二）设计仿真原理图13（三）设置仿真参数13（四）仿真17（五） 仿真总结18四总结与展望18（一） 设计成果总结18（二） 设计心得19参考文献19一 前言（一）本课题研究意义在现代通信信号处理领域中，随着各种精密计算和快速计算的发展对信号处理的实时性、快速性的要求越来越高。以往的模拟滤波器无法克服电压漂移、温度漂移和噪声等问题，从而带来了许多误差和不稳定因素。而高通滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等突出优点。FPGA元器件在高速并行处理和数据传输中有独特优势，FPGA正在前端信号处理中越来越多地代替ASIC和DSP。我们需要的就是这种设计周期短，功能密度高，重组时间短的元器件。本文在FPGA元器件的基础上，实现现代FIR高通滤波器功能。并且研究多种快速的FIR高通滤波器的理论设计思想和程序设计方法。（二）国内外研究现状分析1985年XilinX公司生产出了第一块FPGA元器件，由于它有着集成度高、方便易用、开发和上市周期短的绝对优势，使得FPGA器件在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用，发展潜力十分巨大。现在FPGA已经发展到可以利用硬件乘加器、片内储存器、逻辑单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT 、FIR 、复数乘加、卷积、三角函数以及矩阵运算等数字信号处理。这样可以完成信号处理的主要技术，如中频采样、参数估计、自适应滤波、脉冲压缩、自适应波束形成和旁瓣对消等。（三）研究思路通过对目前高通滤波器的几种实现方法的简单分析，本文认为基于FPGA的高通滤波器具有许多优点，本文考虑到信息技术的发展对于高通滤波器的要求越来越高，而目前FIR高通滤波器的性能还不完善，于是选择了基于FPGA的高通滤波器作为主要研究内容，通常滤波器在进行数据处理时用到了卷积运算，在设计中的解决这些乘法运算的思路是将它们转换成加减法，这是目前解决乘法运算的主流思想。设计初期在Matlab下对滤波器原理进行证明包括（零极点图、时域和频域分析图等），分析FIR高通滤波器的多种理论设计思想和窗函数选择方法，然后对分析出来的问题进行论证和解决，最后在QUARTUS中进行仿真验证。（四）相关概念说明高通滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。可认为是一个离散时间系统按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置FIR（Finite Impulse Response ）由线性系统理论可知，在某种适度条件下，输入到线性系统的一个冲击完全可以表征系统。当我们处理有限的离散数据时，线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的。若线性系统仅是一个空间滤波器，则通过简单地观察它对冲击的响应，我们就可以完全确定该滤波器。通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（FIR)滤波器。图1 总体设计流程图二 FIR高通滤波器的设计方法（一）理论部分1.引言高通滤波器的功能一般是用来变换时域或者频域中某些要求信号的属性，滤除信号中某一部分频率分量。经过高通滤波器的信号是让其频谱与高通滤波器的频率响应相乘从而得出新的结果。经过一个线性卷积过程，从时域上输入信号与滤波器的单位冲击响应作一个卷积和。下面是卷积定义式： （1）LTI高通滤波器在一般情况下分为有限脉冲响应（Finite impulse response）和无限脉冲响应(Infinite impulse response)，FIR高通滤波器的设计方法和IIR滤波器的设计方法有很大的差别。因为其设计方向是选择有限长度的h(n)，使频率响应函数H(e)满足指标。高通滤波器正在用直接的电子计算机规范和算法进行分析的方式来逐渐代替传统的模拟滤波器的RLC元器件和放大电路。2.FIR高通滤波器的基础首先介绍FIR高通滤波器基本原理通常情况下一般高通滤波器的N阶FIR高通滤波器基于输入信号x(n)的表达式为： （2）这个公式给我们了一个非常明了的直接型网络结构，该结构表现出N个乘法器，每次采样y(n)的内容是n次乘法和n-1次加法，然后做乘累加之和。如图2-1所示：图2 FIR滤波器直接型网络结构从DSP的介绍中，第一类线性相位对h(n)的约束条件： （3） (4)由公式（3），（4）我们可以推出： （5）移相并利用三角公式化简得到： (6)从数字信号处理学科中知道函数关于求和区间的中心（N-1）/2奇对称，于是我们要求和h(n)满足如下条件： 其中对应的有 （7）图3 线性相位FIR滤波器结构若h(n)呈现对称特性，即此具有线性相位的滤波器是FIR高通滤波器。滤波器的基础网络结构可以相互进行转换。3.高通滤波器的设计原理在数字信号处理技术的研究中，一般是使用的三种设计方法：窗函数法，FDATool直接设计法，程序编译法。本文首先使用FDATool直接设计和Matlab软件共同进行设计。随着软件技术的不断发展，Matlab软件能给设计者带来的数字信号处理工作已经非常的完善和多样了，设计者可以利用Matlab软件进行高通滤波器的设计和仿真，而且还可以用这款软件进行设计的优化。高通滤波器的一般设计步骤如下：（1）指标的确定做任何工程或者设计，设计者都必须要有一个期望的指标用来限制设计范围。在很多的实际应用中，设计者常常都是使用高通滤波器做选频的工作。因此，指标的形式一半在频域中给出相位响应和幅度。相位响应的指标形式，一半是指系统在通频带中药有线性相位。幅度指标：绝对指标，它给出对幅度响应函数的要求，一般用于FIR滤波器的设计。相对指标，以分贝值的形式给出具体限制。（2）逼近目标设计者做高频的时候大概都有一个模式，就是首先得到技术指标，然后利用我们的技术和工具让我们的产品去逼近这个指标。同理我们首先建立以个目标的高通滤波器模型。一般情况下都是采用理想的高通滤波器模型，然后去逼近我们想要的目标高通滤波器参数。4.Matlab直接FDAtool设计方式解析FDATool(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(Filter Design Toolbox)。FDATool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法。它操作简单，方便灵活。FDATool界面总共分两大部分，一部分是Design Filter，在界面的下半部，用来设置滤波器的设计参数，另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显示滤波器的各种特性。Design Filter部分主要分为：Filter Type(滤波器类型)选项，包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的FIR滤波器。Design Method(设计方法)选项，包括IIR滤波器的Butterworth(巴特沃思)法、Chebyshev Type I(切比雪夫I型)法、 Chebyshev Type II(切比雪夫II型) 法、Elliptic(椭圆滤波器)法和FIR滤波器的Equiripple法、Least-Squares(最小乘方)法、Window(窗函数)法。Filter Order(滤波器阶数)选项，定义滤波器的阶数，包括Specify Order(指定阶数)和Minimum Order(最小阶数)。在Specify Order中填入所要设计的滤波器的阶数(N阶滤波器，Specify OrderN-1)，如果选择Minimum Order则MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。Frenquency Specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率Fs和频带的截止频率。它的具体选项由Filter Type选项和Design Method选项决定，例如Bandpass(带通)滤波器需要定义Fstop1(下阻带截止频率)、Fpass1(通带下限截止频率)、Fpass2(通带上限截止频率)、Fstop2(上阻带截止频率)，而Lowpass(低通)滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。Magnitude Specifications选项，可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时，可以定义Wstop1(频率Fstop1处的幅值衰减)、Wpass(通带范围内的幅值衰减)、Wstop2(频率Fstop2处的幅值衰减)。当采用窗函数设计时，通带截止频率处的幅值衰减固定为6db，所以不必定义。参数要求：采样频率fs=8kHz，截止频率fc=1kHz，通阻带波动0.01，采用凯塞窗设计。针对一个含有的混和正弦波信号已知滤波器的阶数n=17，beta=0.5。本例中，首先在Filter Type中选择highpass；在Design Method选项中选择FIR Window，接着在Window选项中选取Kaiser，Beta值为0.5；指定Filter Order项中的Specify order为17；采样频率Fs=8kHz，截止频率Fc=1kHz。设置完以后点击窗口下方的Design Filter，在窗口上方就会看到所设计滤波器的幅频响应，通过菜单选项Analysis还可以看到滤波器的相频响应、脉冲响应、阶跃响应、零极点配置等。设计完成后将结果保存为fir17.fda文件。我们可以根据FDAtool工具得到我们的滤波器相关增益。（二）程序分析部分根据上述FIR低通高通滤波器的原理与滤波特性，我们在上面的软件实践中已经掌握了设计高通滤波器的方法并且成功的使用Matlab/Simulink进行了设计和仿真。通过以上的过程我们可以导出一定性能的FIR滤波器频率响应与抽头系数，然后用Verilog HDL语言设计和QUARTUS仿真FIR低通高通滤波器，实现用软件描述硬件的动作及功能，应用软件来实现高通滤波器的功能和时序仿真。1.FPGA 可编程逻辑元件介绍EDA是Electronic Design Automation的缩写，意为电子设计自动化，即利用计算机自动完成电子系统的设计。EDA技术是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，吸收了计算机领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作工具，在EDA软件平台土，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。可编程逻辑器PLD(Programmable Logic Devices)是ASIC(Application Specific Integrated Circuits的一个重要分支。ASIC按制造方法又可分为全定制(Full Custom)产品、半定制(semi-custom)产品和可编程逻辑器件(PLD)。前两种ASIC的设计和制造都离不开器件生产厂家，用户主动性较差。随着微电子技术的发展，设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，并尽可能缩短设计周期，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，在使用中也能比较方便的对设计进行修改。可编程逻辑器件就是为满足用户的这一需求应运而生的。使用FPGA器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系统的体积和成本，增加系统的可靠性。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。使用FPGA器件设计数字系统电路的主要优点如下:（1）设计灵活使用FPGA器件，可不受标准系列器件在逻辑功能上的限制。而且修改逻辑可在系统设计和使用过程的任一阶段中进行，并且只须通过对所用的FPGA器件进行重新编程即可完成，给系统设计提供了很大的灵活性。（2）增大功能密集度功能密集度是指在给定的空间能集成的逻辑功能数量。可编程逻辑芯片内的组件门数高，一片FPGA可代替几片、几十片乃至几百片中小规模的数字集成电路芯片。用FPGA器件实现数字系统时用的芯片数量少，从而减少芯片的使用数目，减少印刷线路板面积和印刷线路板数目，最终导致系统规模的全面缩减。（3）提高可靠性减少芯片和印刷板数目，不仅能缩小系统规模，而且它还极大的提高了系统的可靠性。具有较高集成度的系统比用许多低集成度的标准组件设计的相同系统具有高得多的可靠性。使用FPGA器件减少了实现系统所需要的芯片数目，在印刷线路板上的引线以及焊点数量也随之减少，所以系统的可靠性得以提高。（4）缩短设计周期基于FPGA器件的可编程性和灵活性，用它来设计一个系统所需时间比传统方法大为缩短。FPGA器件集成度高，使用时印刷线路板电路布局布线简单。同时，在样机设计成功后，由于开发工具先进，自动化程度高，对其进行逻辑修改也十分简便迅速。因此，使用FPGA器件可大大缩短系统的设计周期，加快产品投放市场的速度，提高产品的竞争能力。（5）工作速度快FPGA/CPLD器件的工作速度快，一般可以达到几百兆赫兹，远远大于DPS器件。同时，使用FPGA器件后实现系统所需要的电路级数又少，因而整个系统的工作速度会得到提高。（6）增加系统的保密性能很多FPGA器件都具有加密功能，在系统中广泛的使用FPGA器件可以有效防止产品被他人非法仿制。（7）降低成本使用FPGA器件实现数字系统设计时，如果仅从器件本身的价格考虑，有时还看不出来它的优势，但是影响系统成本的因素是多方面的，综合考虑，使用FPGA的成本优越性是很明显的。首先，使用FPGA器件修改设计方便，设计周期缩短，使系统的研制开发费用降低;其次，FPGA器件可使印刷线路板面积和需要的插件减少，从而使系统的制造费用降低;再次，使用FPGA器件能使系统的可靠性提高，维修工作量减少，进而使系统的维修服务费用降低。总之，使用FPGA器件进行系统设计能节约成本。2.Quartus及Verilog HDL介绍Quartus II 属于Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。 Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。 Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。 此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。 Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境， 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。Verilog HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言。Verilog HDL可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。该语言适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述。Verilog HDL进行设计最大的优点是其工艺无关性。这使得我们在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需根据系统设计的要求施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。VerilogHDL是一种硬件描述语言(hardware description language)，为了制作数字电路而用来描述ASIC和FPGA的设计之用。VerilogHDL 的设计者想要以 C 编程语言为基础设计一种语言，可以使工程师比较容易学习。3.实际滤波器程序设计（17阶FIR高通滤波器）FPGA实现FIR滤波器，首先进行指标选定和Matlab软件参数仿真，然后执行基于Verilog方法的硬件实现中用移位方法代替了乘法运算。表1 设计指标要求设计指标高低通截止频率 阶数据宽度高通1k 1716bits三 滤波器仿真滤波（一）设置混合信号 在Matlab中进行我们设计过的FIR高通滤波器的仿真，首先我们启动Matlab中的Simulink，启动方式是直接在文本窗口中输入命令Simulink，或者点击Matlab中的快速启动按钮。图4 Simulink工具窗口图图5 混合信号模块（二）设计仿真原理图图6 17阶滤波器原理图（三）设置仿真参数1.设置高频与低频信号的参数（1）高频信号参数设置与显示图7 4KHz正弦信号参数设置图8 4KHz正弦信号（2） 低频信号参数设置与显示图9 250Hz正弦信号参数设置图10 250Hz正弦信号（3） 合成信号图11 合成信号2.设置滤波器h(n)参数图12 FDATool设计参数图13 导出参数（四）仿真图14 simulink仿真图15 SignalTap显示仿真结果（五） 仿真总结由上面的仿真结果输出图可以看出，所设计的数字高通滤波器使混合输入信号中频率为4KHz的正弦波信号通过，明显的出现了高频信号。而将频率为250Hz的正弦波信号大大衰减，从而达到滤波效果。用Matlab Simulink仿真高通滤波器设计更加直观，操作便捷，易于分析。四总结与展望（一） 设计成果总结在理论积累和重复实践的基础上，多种滤波器设计思路已经相当成熟，设计出来的滤波器通过仿真概率高，仿真结果符合设计要求。FIR高通滤波器的设计方式选择更具有科学性和时效性，可以根据自己熟悉的软件，需要的FIR高通滤波器的精度，FIR高通滤波器的类型和滤波器阶数来灵活选择设计思路和方法。（二） 设计心得本次毕业设计主要包含了信号与系统，数字信号处理和FPGA方面的相关知识。设计心得总结如下：设计路径优化 确定好所需要设计的FIR高通滤波器滤波器后，首先对其进行性能需求分析，明确FIR高通滤波器系统应该达到的各种性能指标，其次，拟定多种滤波器类型，对这些方案采用Matlab进行仿真，在这个过程中我们有许多的窗函数选择和设计方法选择，进行综合分析和比较，选择出最佳的滤波器类型作为本设计方案，然后依据其性能指标编写Matlab程序，确定二阶节系数。或者直接进行Verilog语