毕业设计（论文）-基于FPGA的IIR滤波器设计.doc

邯郸学院本科毕业论文邯郸学院本科毕业论文 题题 目目 基于FPGA的IIR滤波器设计 作作 者者 指导教师副教授指导教师副教授 年年 级级 2007级级 专专 业业 电子信息工程 二级学院二级学院 信息工程学院 邯郸学院信息工程学院 2011 年 5 月 郑重声明郑重声明 本人的毕业论文 设计 是在指导教师郭红俊的指导下独立撰写 完成的 毕业论文 设计 没有剽窃 抄袭 造假等违反学术道德 学术规范和侵权的行为 本人愿意承担由此产生的各种后果 直至法 律责任 并愿意通过网络接受公众的监督 特此郑重声明 毕业论文 设计 作者 签名 年 月 日 I 摘摘 要要 在现代电子系统中 可编程逻辑器件和EDA技术得到了飞速发展 基于FPGA的信号处理器在科学和工程技术等许多领域中得到了广泛的应用 其中 现代数字信号处理系统的重要组成部分是数字滤波器 无限长单位冲激响应 IIR 数字滤波器是非常重要的一类滤波器 与有限长单位冲激响应 FIR 数 字滤波器相比 IIR能够以较低的阶次获得较高的频率选择特性从而得到了广泛 的应用 本论文采用一种基于现场可编程门阵列 FPGA 的IIR数字滤波器的设 计方案 首先从速度和资源方面研究DSP算法中的加法器 乘法器 乘累加器 并讨论了基于IIR数字滤波器的相关理论知识 研究了IIR数字滤波器的常用设计 方法 并分析了各种IIR数字滤波器的实现结构等基本理论 由分析结果确定了 所要设计的IIR数字滤波器的实现结构 然后基于FPGA的结构特点 研究了IIR数 字滤波器的FPGA设计与实现 并通过Quartus 设计平台 采用自顶向下的模块 化设计思想 将整个IIR数字滤波器分为 时序控制 延时 补码乘加和累加四 个功能模块 分别对各模块进行VHDL语言描述 并进行了仿真和综合 仿真结果 表明 本设计的IIR数字滤波器运算速度较快 系数改变灵活 有较好的参考价 值 关键词关键词 数字滤波器 无限长单位冲激响应 现场可编程门阵列 VHDL硬件描 述语言 II Based on the FPGA IIR filter development Ma Xiaohong Directed by Prof Guo Hongjun Abstract In the modern eletrical syatem PLD device and EDA technology are developed the signal processor based on FPGAs have been applied to lots of field such as in science and project technique one of the important contents of digital signal process is digital filter Infiinite impulse response units IIR digital filter is a very important type of filters With its good characteristic of frequency selection in lower order in comparison with finite impulse response FIR IIR digital filter is widely applied in modern signal processing systems This subject is a IIR digital filter design based on the using of field programmable gate array FPGA Firstly based on the analysis of IIR basic realization architectures and the related theoretic analysis the design methods of IIR sigital filter has been discussed and the structures of a variety of IIR digital filter which can be realized has been analysised For the results of the theoretical analysis the final architecture and realization of IIR digital has been decided Based on the structural characteristics of FPGA the FPGA design and realization of IIR digital filter has been researched By used the design plant of Quartus we adopt blocking method named Top down and divide the entire IIR digital filter into four blocks which are Clock control Time delay Multiply addition and Progression After described with VHDL we do emulate and synthesis to each block The result shows that the introduced IIR digital filter runs fast and the coefficient changes agility It has high worth for consulting Key words Digital filter infinite impulse response units field programmable gate array VHDL hardware description language 目目 录录 摘摘 要要 I 外文页外文页 II 1 序言序言 1 2 选题背景选题背景 1 2 1 课题来源 1 2 2 课题的目的和意义 1 3 IIR 数字滤波器及其硬件实现方法数字滤波器及其硬件实现方法 2 3 1 IIR 数字滤波器概念 2 3 1 1 IIR 数字滤波器的原理 2 3 1 2 IIR 数字滤波器的基本结构 2 3 1 3 IIR 数字滤波器的设计方法 2 3 2 IIR 数字滤波器的硬件实现方案 3 4 EDA 技术和可编程逻辑器件技术和可编程逻辑器件 6 4 1 电子设计自动化 EDA 技术 6 4 2 可编程逻辑器件 6 4 2 1 可编程逻辑器件简介 6 4 2 2 使用 FPGA 器件进行开发的优点 6 4 2 3 FPGA 设计的开发流程 7 4 3 硬件描述语言 VHDL 及数字系统设计方法 7 4 3 1 硬件描述语言 VHDL 简介 7 4 3 2 利用 VHDL 设计数字系统 7 5 IIR 数字滤波器的设计与仿真结果分析数字滤波器的设计与仿真结果分析 7 5 1 各模块的设计与仿真结果分析 7 5 1 1 时序控制模块的设计与仿真结果分析 8 5 1 2 延时模块的设计与仿真结果分析 8 5 1 3 补码乘加模块的设计与仿真结果分析 9 5 1 4 累加模块的设计与仿真结果分析 10 5 1 5 顶层模块设计 11 5 2 IIR 数字滤波器的仿真与结果分析 11 5 2 1 IIR 数字滤波器的系统设计 11 5 2 2 IIR 数字滤波器的系统仿真与结果分析 12 5 2 3 高阶 IIR 数字滤波器的实现 13 参考文献参考文献 14 致致 谢谢 15 附录附录 16 1 基于基于 FPGAFPGA 的的 IIRIIR 滤波器设计滤波器设计 1 1 序言序言 随着 EDA 技术的发展和应用领域的扩大和深入 EDA 技术在电子信息 通信 自动控制 及计算机应用等领域的重要性日益突出 这些技术的使用使得现代电子产品的体积减小 性 能增强 集成化程度提高 与此同时其可编程能力也得以提高 在使用 EDA 进行电子设计时 设计人员可按照 自顶向下 的设计方法 对整个系统进行方案设计和功能划分 采用硬件 描述语言 DHL 完成系统行为级设计 最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件 VHDL 语言是 EDA 设计中常用的一种 IEEE 标准语言 其具有覆盖面广 描述能力强 可读性 好 支持大规模设计及逻辑单元利用等优点 因此受到越来越多的电子工程师的青睐 本次设计采用 EDA 技术中的模块化设计思想 就 IIR 数字滤波器中的一些关键电路进行 设计 主要内容包括 时序控制模块 延时模块 补码乘加模块 累加模块和 IIR 数字滤波 器的顶层设计 分别对各模块采用 VHDL 进行描述后 进行了仿真和综合 取得了较好的设 计效果 2 2 选题背景选题背景 2 12 1 课题来源课题来源 有教师提供课题 2 22 2 课题的目的和意义课题的目的和意义 电子技术中全新的数字信号处理技术已经替代了传统的信号处理技术 实现了模拟技术 向数字技术的过度 由于 DSP 的运用是的越来越多烦人高性能电子产品得以实现 随着信息 技术的不断发展 新的信号处理的理论和技术不断涌现 信息科学和技术研究的核心内容重 要是信号的获取 传输和处理 识别及综合等 那么数字信号处理就成为一门及其重要的学 科和技术 它被应用到了很多领域 如通信 语音 图像 自动控制 雷达 军事 航空航 天 医疗等 数字信号处理不仅实现了高速度 而且具有较强的灵活性 提高了设备的实用 性 降低了成本 缩短了开发时间 现场可编程门阵列 FPGA 是 1985 年 Xilinx 公司推出的 与复杂可编程器件 CPLD 相 比 FPGA 的结构与掩膜可编程门阵列 MPGA 由许多独立的可编程模块组成 通过编程将 多个模块连接起来实现不同的设计 FPGA 技术具有现场可编程 现场修改 现场验证 现场 实现的应用优势 FPGA 具备了 MPGA 和 CPLD 两者的优点 具有更强的逻辑实现能力 更高的 集成度和更好的设计灵活性 数字信号处理技术中最重要的是数字滤波器 数字滤波器是一个离散系统 该系统能对 输入的离散信号进行处理 通过一定的运算关系改变输入信号的频率成分的相对比例或是滤 除某些频率成分 提取和加强信号中的有用成分 消弱无用的干扰成分 从而获取所需的有 用信息 与模拟滤波器相比 数字滤波器具有精度高 可靠性高 灵活性好 易于大规模集 成等特点 数字滤波器主要有有限冲击响应数字滤波器 Finite Impulse Response FIR 和无限 冲击响应数字滤波器 Infinite Impuse Response IIR 两种 与 FIR 滤波器相比 在相同 指标下 IIR 滤波器能用较低的阶数满足较高的要求 主要原因是 IIR 滤波器具有反馈系统 并且能够更好的通带和阻带衰减特性 用 FPGA 来实现 IIR 滤波器是一种新的解决方案 EDA 技术和 DSP 技术是现代电子技术发展的产物 对于数字信号处理是具有领先和实际意义 在 传统的 DSP 技术存在的诸多技术瓶颈问题 它都能克服 在许多方面显示出很多优势 如高 可靠性 高速与实时性 自主知识产权化 尤其系统的重配置与硬件重构性 单片 DSP 系统 2 的可实现性以及开发技术的标准化和高效率等 IIR 数字滤波器在信号处理中有着广泛的应用 基于 FPGA 的 IIR 数字滤波器体现电子系 统的微型化和单片化 将数字信号处理与 FPGA 结合 无论在理论研究上还在通讯 HDTV 高清晰度电视 雷达 图像处理数字音频等实际应用上都有着美好的技术前景和巨 大的实用价值 3 3 IIRIIR 数字滤波器及其硬件实现方法数字滤波器及其硬件实现方法 3 13 1 IIRIIR 数字滤波器概念数字滤波器概念 数字滤波器是完成信号滤波处理功能的 用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系 统 输入一组数字量 通过运算输出的是另一组数字量 数字滤波器具有稳定性好 精度高 灵活性大等突出优点 随着数字技术的发展 用数字技术设计滤波器的功能越来越受到人们 的注意和广泛的应用 3 1 1 IIR 数字滤波器的原理 一个数字滤波器的系统函数可以表示为 zH zH zX zY N j j j M i i i zb za 1 1 0 1 3 1 1 直接由得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为 zH y n 3 1 2 01 1 jnybinxa M i N j ji 式中 为滤波系数 当均为零时 该滤波器为 FIR 数字滤波器 当不均 i a 1 j b 1 j b 1 j b 为零时 则为 IIR 数字滤波器 与 FIR 数字滤波器相比 IIR 数字滤波器可以用较低的阶数 获得高的选择性 所用的存储单元少 成本低 信号延迟小 并且 IIR 数字滤波器可以借助 于模拟滤波器的设计成果 设计工作量相对较小 为此 本文就 IIR 数字滤波器进行相关讨 论 3 1 2 IIR 数字滤波器的基本结构 IIR 数字滤波器有直接型 级联型和并联型三种基本结构 由 IIR 数字滤波器的阶差N 分方程 3 1 2 式可知 设 2 则网络结构如图 3 1 所示 MN 图 3 1 直接型结构 y n x n a2 a1b0 b1 a0 z 1 z 1 3 3 1 3 IIR 数字滤波器的设计方法 IIR 数字滤波器的设计方法通常有模拟转换法 零极点累试法和优化设计法 1 IIR 数字滤波器的模拟转换设计法 利用模拟滤波器成熟的理论和设计方法来设计 IIR 数字滤波器是经常使用的方法 设计 过程是 按照技术要求设计一个模拟滤波器 得到滤波器的传输函数 再按一定的转 sHa 换关系将转换成数字滤波器的系统函数 将传输函数从 s 平面转移到 sHa zH sHa z 平面的方法有多种 但工程上常用的是脉冲响应不变法和双线性变换法 2 IIR 数字滤波器的零极点累试法 上述介绍的模拟转换设计法实际上是数字滤波器的一种间接设计方法 而且幅度特性受 到所选模拟滤波器特性的限制 例如巴特沃斯低通幅度特性是单调下降 而切比雪夫低通特 性带内或带外有上 下波动等 对于要求任意幅度特性的滤波器 则不适合采用这种方法 下述介绍的在数字域直接设计 IIR 数字滤波器的设计方法 其特点是适合设计任意幅度特性 的滤波器 在 IIR 数字滤波器的直接设计法中零极点累试法较为常用 设单位脉冲响应的零极点表 达式为 H z A 3 1 3 N k k M r r zd zc 1 1 1 1 1 1 按照 3 1 3 式 系统特性取决于系统零极点的分布 通过分析 我们知道系统极点 位置主要影响系统幅度特性峰值位置及其尖锐程度 零点位置主要影响系统幅度特性的谷值 位置及其凹下的程度 且通过零极点分析的几何作图法可以定性地画出其幅度特性 上面的 结论及方法提供了一种直接设计滤波器的方法 这种设计方法是根据其幅度特性先确定零极 点位置 再按照确定的零极点写出其系统函数 画出其幅度特性 并与希望的进行比较 如 不满足要求 可通过移动零极点位置或增加 减少 零极点 进行修正 3 优化设计法 IIR 数字滤波器除模拟转换设计法和零极点累试法外 还有一种直接在频域或者时域中 进行设计 联立方程后需要计算机作辅助运算的方法 即所谓的优化设计法 3 23 2 IIRIIR 数字滤波器的硬件实现方案数字滤波器的硬件实现方案 滤波器的实现主要包括两大类 DSPTMS320 系列芯片的实现和 ISP 器件的实现 主要包 括 FPGA 和 CPLD 其中利用 DSPTMS320 系列芯片实现滤波时速度较慢 而利用 ISP 器件实现 时 其运算速度比 DSP 器件要快好多倍 FPGA 的实现包括其自带的核的实现方法和自编程实 现方法 核的实现方法虽然好用并且结构缜密 但一般情况下使用的权限都会受到注册购买 的限制 因此基于 FPGA 的自编程实现方法成了滤波器实现的首选 以下简要介绍 IIR 数字滤波器的设计方案和基于 FPGA 的实现方法 1 方案一 直接相乘累加式 对于二阶的 IIR 数字滤波器 其传递函数为 3 2 1 zH 2 1 1 0 2 2 1 10 1 zbzb zazaa 滤波器信号流图见图 2 1 在第 n 时刻 是当时的输入样本 是 n 时刻的 nX nY IIR 滤波器的输出 2 1 10 ndbndbnXnd 3 2 2 210 2 1 andandandnY 因此 可以用硬件乘法器和硬件加法器来实现乘法和加法 由式 3 2 2 可以看出 按 照这种设计方法 要用到 5 个乘法器和 6 个加法器 对于 FPGA 的设计来说 这种方法的缺 4 点是比较耗费资源 2 方案二 基于 ROM 查表法的 VHDL 结构化设计 采用 ROM 查表的方法 主要是为了避免使用硬件乘法器 二阶 IIR 的一般表示形式为 3 2 3 211022110 nnnnnn ybybxaxaxay 其中是输入序列 是输出序列 和是系数 假设输入序列为 nX nY i a 1 j b nX 位 2 的补码 并以定点表示 并 1 对于可以表示为 w nX nX n x 1 1 0 2 w k n k k n xx 3 2 4 式中 表示的第位 上标为 0 的是符号位 因此可以定义一个 5bit 为k nXkw 变量的函数为 F 3 2 5 2121 k n k n k n k n k n yyxxxF k n k n k n k n k n ybybxaxaxa 211022110 由此可以得到 3 2 6 1 1 2 b k k ny 2121 k n k n k n k n k n yyxxxF 0 2 0 1 0 2 0 1 0 nnnnn yyxxxF 由于函数仅有 32 种可能取值 因此可以设计一个 32 b 位的 ROM 构成的如图 3 2 描述F 的基于 ROM 的实现结构 数据输入串行移入 SR1 和 SR2 由抽头处得到 每计算出一个值后 n x k n k n k n xxx 21 n y 便并行加载到 SR3 中 然后串行移入 SR4 并在抽头处得到和 ROM 的输入地址由 k n y 1 k n y 2 组成 k n k n k n k n k n yyxxx 2121 按此方法设计的优点是避免了占主要运算量的乘法运算 节省了 FPGA 的硬件资源 缺 点与 FIR 滤波器利用 ROM 方法设计相同 即使用不够灵活 当系数发生变化时 更改 ROM 内 的数据十分不便 特别是当阶数比较大时 ROM 内的数据较多 程序外的运算量也很大 修 改数据更为不便 图 3 2 ROM 查表法实现框图 5 3 方案三 基于 ROM 查表法的改进型设计 此方法结合了直接相乘累加式和 ROM 查表法的优点 使得设计灵活 设计周期短 节省 资源 二阶 IIR 的一般表示形式为 3 2 6 211022110 nnnnnn ybybxaxaxay 这里是输入序列 是输出序列 和是系数 设输入序列为 nX nY i a 1 j b nX 位 2 的补码 并以定点表示 并 1 对于可以表示为 w nX nX n x 1 1 0 2 w k n k k n xx 3 2 7 式中 表示的第位 上标为 0 的是符号位 因此可以定义一个 5bit 为变k nXkw 量的函数为 F 3 2 8 2121 k n k n k n k n k n yyxxxF k n k n k n k n k n ybybxaxaxa 211022110 同理可得 3 2 9 10210 kkkkk bbaaaF k n k n k n k n k bybyaxaxax 1201221100 由此可以得到 3 2 10 2 0 1 0 0 0 2 0 1 0 010210 1 1 bbaaaFbbaaaFy kkkkk b k k n 令 可以推出 0 0 1 0 0 0 2 0 1 0 0 bbaaaF 3 2 11 2 10210 1 1 kkkkk b k k n bbaaaFy 从式 3 2 11 中可以看出 可以用一个五路 8 位 1 位乘法器在 8 个时钟周期内实现上述 算式 其加法可以直接调用软件的库实现 本方案实现结构如图 3 3 所示 输入 X n X n 1 X n 2 X n 2 X n 1 b0kb1ka2ka1ka0k 输出 Y n 累 加 器 6 图 2 3 中的作为 FPGA 接口上的 A D 器件的转换数据输入寄存器 各寄存器内的数 nX 据与各自的系数的最高位相乘后 送入累加器相加 并且其和向左移一位 以实现乘 2 运算 下一个时钟 寄存器内数据与其系数的次高位相乘 再送入累加器与其数据相加 再左移一 位 接下的 6 个时钟进行类似的操作 第 8 个时钟后 累加器将其数据输出 即 并对 nY 累加器清零 同时将寄存器数据送入寄存器 将寄存器数据送入 1 nX 2 nX nX 寄存器 同理 接着再进行下一次运算 1 nX 2 1 1 nYnYnYnY 对上述三种方法相比较而言 方案三实现较为方便简洁 在节省了 FPGA 硬件资源的同 时 使得设计灵活 设计周期大为缩短 故本设计在方案三为基础上作改进后 来实现 IIR 数字滤波器的 4 4 EDAEDA 技术和可编程逻辑器件技术和可编程逻辑器件 4 14 1 电子设计自动化电子设计自动化 EDAEDA 技术技术 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 回顾近 30 年的电子设计技术的发展历程 可将 EDA 技术分为三个 阶段 七十年代为 CAD Computer Aide Design 阶段 这个阶段主要分别研制了一个个单独 的软件工具 主要有电路模拟 逻辑模拟 版图编辑 PCB 布局布线等 通过计算机的使用 从而可以把设计人员从大量繁琐 重复的计算和绘图工作中解脱出来 八十年代为 CAE 阶段 这个阶段在集成电路与电子系统方法学 以及设计工具集成方面 取得了众多成果 与 CAD 相比 除了纯粹的图形绘制功能外 又增加了电路功能设计和结构 设计 并且通过电气连接网络表将两者结合在一起 实现了工程设计 九十年代为 EDA 阶段 尽管 CAD CAE 技术取得了巨大的成功 但在整个设计过程中 自 动化和智能化程度还不高 各种 EDA 软件界面千差万别 学习实用困难直接影响到设计环节 间的衔接 基于以上不足 人们开始追求贯穿整个设计过程的自动化 即电子系统设计自动 化 4 24 2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 4 2 1 可编程逻辑器件简介 可编程阵列逻辑器件 PAL Programmable Array Logic 和通用阵列逻辑器件 GAL Generic Array Logic 都属于简单 PLD 随着技术的发展 简单 PLD 在集成度和性能方 面的局限性也暴露出来 其寄存器 I O 引脚 时钟资源的数目有限 没有内部互连 因此 包括复杂可编程逻辑器件 CPLD Complex PLD 和现场可编程门阵列器件 FPGA Field Programmable Gate Array 在内的复杂 PLD 迅速发展起来 并向着高密度 高速度 低功耗 以及结构体系更灵活 适用范围更广阔的方向发展 FPGA 具备阵列型 PLD 的特点 结构又类似掩膜可编程门阵列 因而具有更高的集成度和 更强大的逻辑实现功能 使设计变得更加灵活和易实现 相对于 CPLD 它还可以将配置数据 存储在片外的 EPROM 或者计算机上 设计人员可以控制加载过程 在现场修改器件的逻辑功 能 即所谓的现场可编程 所以 FPGA 得到了更普遍的应用 图 3 3 改进型实现框图 7 4 2 2 使用 FPGA 器件进行开发的优点 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 使用 FPGA 器件设计数字系统电路的主要优点如下 1 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 可代替几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片 用 FPGA 实现数字系统时 用的芯片数量少 从而减少印刷板面积和数目 最终导致系统规模的减小 2 缩短设计周期 由于 FPGA 器件集成度高 使用时印刷线路板电路布局布线简单 FPGA 器件的可编程性 和灵活性 决定了用它设计一个系统所需时间比传统方法大为缩短 3 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 DSP 器件 使用 FPGA 器件后实现系统所需要的电路级数少 因而整个系统的工作速度会得到提高 4 2 3 FPGA 设计的开发流程 设计开始需利用 EDA 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本方式 如 VHDL 程序 或图形方式 原理图 状态图等 表达出来 完成设计描述后即可通过编译器进行排错 编译 变成特定的文本格式 为下一步的综合做准备 编译形成标准 VHDL 文件后 在综合 前即可以对所描述的内容进行功能仿真 又可称为前仿真 由于此时的仿真只是根据 VHDL 的语义进行的 与具体电路没有关系 仿真过程不涉及具体器件的硬件特性 如延迟特性 设计的第三步是综合 将软件设计与硬件的可实现性挂钩 这是软件化为硬电路的关键步骤 综合后 可生成 VHDL 网表文件 利用网表文件进行综合后仿真 综合通过后必须利用 FPGA 布局 布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作 这个过 程叫做实现过程 布局布线后应进行时序仿真 时序仿真中应将布局布线后的时延文件反标 到设计中 使仿真既包含门时延 又包含线时延的信息 与前面各种仿真相比 这种仿真包 含的时延信息最为全面 准确 能较好地反映芯片的实际工作情况 如果以上的所有过程 都没有发现问题 即满足原设计要求 就可以将适配器产生的配 置 下载文件通过编程器或下载电缆载入目标芯片中 4 34 3 硬件描述语言硬件描述语言 VHDLVHDL 及数字系统设计方法及数字系统设计方法 4 3 1 硬件描述语言 VHDL 简介 硬件描述语言 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language VHDL 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言 包括系统行为级 寄存器传 输级和逻辑门级多个设计层次 支持结构 数据流 行为三种描述形式的混合描述 因此 VHDL 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能 它主要用于描述数字系统的结构 行为 功 能和接口 非常适用于可编程逻辑芯片的应用设计 与其它的 HDL 相比 VHDL 具有更强大的 行为描述能力 从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言 4 3 2 利用 VHDL 设计数字系统 利用 VHDL 语言设计数字系统硬件电路 与传统的设计方法相比 具有以下优点 1 采用自顶向下 TOP DOWN 的设计方法 自顶向下是指从系统总体要求出发 在顶层 进行功能方框图的划分和结构设计 由于设计的主要仿真和调试过程在高层次上完成 这一 方面有利于提高了设计的效率 2 降低了硬件电路的设计难度 在使用 VHDL 语言设计硬件电路时 可以免除编写逻辑 表达式或真值表的过程 使得设计难度大大下降 从而也缩短了设计周期 3 主要设计文件是用 VHDL 语言编写的源程序 在传统的硬件电路设计中 最后形成的 主要文件是电路原理图 而采用 VHDL 语言设计系统硬件电路时主要的设计文件是 VHDL 语言 编写的源程序 4 方便 ASIC 移植 VHDL 语言的效率之一 就是如果你的设计是被综合到一个 FPGA 或 8 CPLD 的话 则可以使你设计的产品以最快的速度上市 当产品的产量达到相当的数量时 采 用 VHDL 进行的设计很容易转换成专用集成电路来实现 所以本次设计采用利用 VHDL 语言的数字系统设计方法 5 5 IIRIIR 数字滤波器的设计与仿真结果分析数字滤波器的设计与仿真结果分析 5 15 1 各模块的设计与仿真结果分析各模块的设计与仿真结果分析 本课题在实现方案三的基础上 将 IIR 滤波器的硬件系统分为四个模块 时序控制 延 时 补码乘加和累加模块 以下就各个模块的实现及仿真作简要的分析 5 1 1 时序控制模块的设计与仿真结果分析 时序控制模块主要用来产生对其它模块的时序控制信号 模块的符号如图 5 1 a 所示 输入信号 CLK 是时钟信号 RES 是复位信号 CLK REG 及 CLK REGBT 是输出信号 图 5 1 a 时序控制模块图 图 5 1 b 时序控制模块仿真图 时序控制模块仿真如图 5 2 b 所示 其中 counter 为程序内部计数信号 在 clk 的上升 延到来时 counter 以 6 个时钟为周期开始进行计数 clk regbt 每隔 6 个时钟输出一个低 电平 clk reg 则每隔 6 个时钟后输出一个高电平 输出的两个时钟信号正好控制延时模块 补码乘加模块和累加模块的模块的运行 符合设计要求 时序控制模块程序见附录 5 1 2 延时模块的设计与仿真结果分析 延时模块的符号如图 5 2 a 所示 其主要作用是在 clk 时钟作用下将差分方程的各 值延迟一个时钟 以实现一次延时运算 即当输入为 xn 和 yn 时 经过一次延时后其 输出分别为 x n 1 和 y n 1 其中 yout 是反馈输入信号 xn 是输入信号 图 5 2 a 延时模块图 9 图 5 2 b 延时模块仿真图 延时模块仿真图如图 5 2 b 所示 由图 5 4 可以看出当输入的 xn yout 都为 时 在时钟信号上升沿的作用下产生延时 经第一个时钟后 5 4 3 2 1 0 x0 x1 x2 y0 y1 的值分别为 1 0 0 1 0 经第二个时钟后 x0 x1 x2 y0 y1 的 值分别为 2 1 0 2 1 经第三个时钟后 x0 x1 x2 y0 y1 的值分别为 3 2 1 3 2 经第四个时钟后 由此可见该模块仿真值正确 延时模块程序见附录 5 1 3 补码乘加模块的设计与仿真结果分析 补码乘加模块主要用来实现输入序列 与系数 分别相乘后再相加 nX nY i a i b 的过程 即实现的算法 为了避免过多地使 211022110 nnnnnn ybybxaxaxay 用乘法器 本设计中乘加单元 MAC 的乘法器采用阵列乘法器 以提高运算速度 由于 Quartus 的 LPM 库中乘法运算为无符号数的阵列乘法 所以使用时需要先将两个补码乘数 转换为无符号数相乘后 再将乘积转换为补码乘积输出 每个二阶节完成一次运算共需要 6 个时钟周期 而且需采用各自独立的 MAC 实现两级流水线结构 即每个数据经过两个二阶节 输出只需要 6 个时钟周期 模块的符号如图 5 3 a 所示 图 5 3 a 补码乘加模块图 10 图 5 3 b 补码乘加模块仿真图 补码乘加模块仿真图如图 3 5 所示 clk regbt 及 clk reg 为输入时钟 由时序控制模块提 供 为系数 x0 x1 x2 y0 y1 为输入信号 yout 为输出信号 图 5 3 b 中 i a 1 j b 75 为 x0 x1 x2 y0 y1 的值 15 和系数 相乘后再相加的结果 完成了补码乘加的 i a 1 j b 功能 补码乘加模块程序见附录 5 1 4 累加模块的设计与仿真结果分析 补码乘加模块所输出的信号送入累加器后 与寄存于累加器中的上一步计算的中间结果 相加 最后将此步的计算结果经由输出引脚输出 所得信号即为最终结果 即该模块主要 实现 youtput yout youtput n 1 的算法 模块的符号如图 5 4 a 所示 图 5 4 a 累加模块图 图 5 4 b 累加模块仿真图 累加模块仿真图如图 5 4 b 其中 res 为复位信号 clk 为时钟信号 yout 为输入信号 由 11 补码乘加模块的输出信号 yout 提供 由图中可以看出当输入信号为 yout 输 5 4 3 2 1 0 出为 youtput 实现了累加的功能 符合设计要求 累加模块程序见附录 1 15 10 6 3 1 0 5 1 5 顶层模块设计 顶层模块设计采用了原理图输入方法 原理图输入方式非常直观 便于信号观察和电路 的调节 图 5 5 顶层模块图 本课题设计的顶层文件名为 iir gdf 设计生成的逻辑符号如图 5 5 所示 顶层模块设计 程序见附录 5 25 2 IIRIIR 数字滤波器的仿真与结果分析数字滤波器的仿真与结果分析 5 2 1 IIR 数字滤波器的系统设计 IIR 数字滤波器顶层原理图如图 5 6 所示 为了便于理解整个系统的设计 现将系统的运行过程进行说明 图 5 6 IIR 数字滤波器顶层原理图 系统先开始处于初始状态 当清零信号为 1 时 对整个系统进行清零 在清零信号 为 0 的前提 时序控制模块在时钟 clk 上升沿的作用下产生两个信号 CLK REG 及 CLK REGBT 其中 CLK REG 信号用来作为延时模块 补码乘加模块和累加模块的输入时钟 CLK REGBT 每隔 6 个时钟产生一个高电平作为这三个模块的复位信号 延时模块在接收到 CLK REG 高电平信号时清零输出端 接收到低电平时 在 CLK REGBT 上升沿的作用下对输入 信号进行延时 以实现一次延时运算 而后将延时信号输出 送给补码乘加模块 补码乘加 模块在接收延时信号的同时也接收读者输入的系数信号 在 CLK REGBT 上升沿的作用下实现 系数和延时信号的补码乘加运算 而此步骤需要 6 个时钟来完成 正好与时序控制模块的输 出信号 CLK REGBT 相一致 补码乘加模块的输出一部分送入延时模块以实现信号的反馈 另 一部分则送入到累加模块 在累加模块中进行结果累加后输出 得到最终结果 12 5 2 2 IIR 数字滤波器的系统仿真与结果分析 在各模块编译通过后将各模块进行了综合 针对不同的输入信号和不同的输入系数对 IIR 数字滤波器进行了仿真 仿真波形如图 5 7 所示 并将仿真值和计算值进行了比较 如 表 5 2 1 中所示 a b c 图 5 7 IIR 数字滤波器仿真图 表 5 2 1 滤波后输出的数据 输入数据 Xn 0 1 2 3 4 5 a0 a1 a2 b0 b1 1 计算值 01411244780 仿真值 01411254369 输入数据 Xn 0 1 0 1 0 1 a0 a1 a2 b0 b1 1 13 计算值 012581524 仿真值 012591523 输入数据 Xn 0 1 0 1 0 1 a0 2 a1 a2 b0 b1 1 计算值 0238142234 仿真值 0249172741 由表 5 2 1 可见 仿真值结果正确 只是与真值之间存在一定的误差 仿真值越大时误 差越大 这是由于有限精度算法所引起的误差 经累加器累加后使得误差变得越来越大 要 解决这一问题可以通过增加二进制位数来提高系统的运算精度 5 2 3 高阶 IIR 数字滤波器的实现 要实现一个高阶 IIR 数字滤波器 如果采用直接型结构实现 需用的乘法器和延迟单元 相对较多 而且分子和分母的系数相差较大 需要较多的二进制位数才能实现相应的精度要 求 如果采用二阶节级联实现 一方面各基本节的零点 极点可以很方便地单独进行调整 另一方面可以降低对二进制数位数的要求 以实现一个四阶 IIR 数字滤波器为例 可以通过 两个二阶 IIR 数字滤波器级联的方式来实现较为简洁 图 5 8 给出了一个四阶 IIR 数字滤波 器实现的原理图 5 具体的工作原理与二阶 IIR 数字滤波器类似 在此本节即不再细述 图 5 8 四阶 IIR 数字滤波器的顶层原理 当然 更高阶的 IIR 数字滤波器的实现方法与四阶滤波器的实现方法类似 只需将多个 二阶 IIR 数字滤波器进行级联 即可实现 14 参考文献参考文献 1 刘凌 胡永生译 数字信号处理的 FPGA 实现 M 北京 清华大学出版社 2003 2 丁玉美 高西全 数字信号处理 M 西安 西安电子科技大学出版社 2004 3 潘松 王国栋 VHDL 实用教程 M 成都 电子科技大学出版社 2001 4 倪向东 基于 FPGA 的四阶 R 数字滤波器 J 电子技术应用 2003 5 陈后金 数字信号处理 M 北京 高等教育出版社 2004 6 罗苑棠 CPLD FPGA 常用模块与综合系统设计 电子工业出版社 2007 7 王国强 EDA 技术与应用 电子工业出版社 8 郑君里 信号与系统 M 北京 高等教育出版社 2000 9 凌燮亭 秦巍 胡波 对数域积分电路的分析与应用 J 北京 电子学报 2000 28 2 46 48 10 蔡理 马西奎 一种基于平衡式对数域积分器的高阶滤波器 J 南京 固体电子学研 究与进展 2002 22 1 68 71 11 赵录怀 高阶对数域滤波器设计的一种新方法 J 北京 电工技术学报 1999 14 5 27 30 12 姚若河 彭亮 石磊 IIR 数字滤波器的 FPGA 的实现 J 中国集成电路 2005 76 9 54 72 13 基于 CORDIC 算法的 IIR 数字滤波器硬件设计 J 集成电路应用 2006 1 28 32 14 一种高效 IIR 滤波器的结构设计及其 FPGA 实现 J 河南大学常州分校学报 2005 19 9 40 41 15 黄任 VHDL 入门 解惑 经典实例 经验总结 M 北京 北京航空航天出版 社 2005 16 王卫兵 高阶 IIR 数字滤波器的 FPGA 描述 J 电子元器件 2005 16 期 pp3 4 17 北京理工大学 ASIC 研究所 VHDL 语言 100 例详解 M 北京 清华大学出版 社 1999 18 Joseph B Evans Efficient F1R Filter Architectures Suitable for FPGA Implementation M IEEE Trans Circuits and System July 1994 19 Javier Valls Marcos M Peiro Trini Sansaloni Eduardo Boemo A Study About FPGA BasedDigital Filters J IEEE SIPS pp191 201 October 1998 20 郭永彩 廉飞宇 数字信号处理 M 重庆 重庆大学出版社 2009 8 15 致致 谢谢 本文是在导师郭红俊教授的精心指导和严格要求下完成的 从选题到论文的完成 都凝 聚着郭红俊老师的辛劳和汗水 他在我这三个月的毕业设计期间给了我很多无微不至的关怀 从 IIR 数字滤波器的理论知识到滤波器的实现方法都有郭老师孜孜不倦的教诲 在郭老师的 帮助下本次毕业设计才能得意顺利完成 郭老师渊博的知识 严谨科学的治学态度和工作作 风将给我以后的学习和工作起着模范和激励的作用 在此对郭红俊老师表示深深的敬意和衷 心的感谢 此外 我在毕业设计期间还得到许多老师 同学 朋友的帮助 在此亦表示衷心的感谢 16 附录附录 各模块各模块 VHDLVHDL 程序程序 时序控制模块程序 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic arith all use ieee std logic unsigned all entity control is port clk res in std logic clk reg clk regbt out std logic end architecture bhv of control is signal counter count bt integer signal clk en std logic begin clk regbt not clk and clk en clk reg not clk and not clk en process clk res begin if res 1 then counter 0 count bt 0 elsif clk event and clk 1 then if counter 6 then clk en 1 counter counter 1 count bt count bt 1 else counter 0 count bt 0 clk en 0 end if end if end process end bhv 17 延时模块程序 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all use ieee std logic arith all entity delay is port clk in std logic res in std logic xn in std logic vector 4 downto 0 yout in std logic vector 8 downto 0 x0 x1 x2 out std logic vector 4 downto 0 y0 y1 out std logic vector 8 downto 0 end delay architecture bhv of delay is signal reg x0 reg x1 reg x2 std logic vector 4 downto 0 signal reg y0 reg y1 std logic vector 8 downto 0 begin process res clk begin if res 1 then reg x0 00000 reg x1 00000 reg x2 00000 reg y0 000000000 reg y1 000000000 elsif clk event and clk 1 then reg x2 reg x1 reg x1 reg x0 reg x0 xn reg y1 reg y0 reg y0 yout 实现延时 end if x0 reg x0 x1 reg x1 x2 reg x2 y0 reg y0 y1 reg y1 end process end bhv 18 补码乘加模块程序 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic arith all use ieee std logic unsigned all entity smultadd