[论文精品] 基于FPGA的FIR低通数字滤波器设计 开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名： 学 号： 专 业：电子信息工程设计(论文)题目：基于fpga的fir低通数字滤波器设计指 导 教 师: 2010年12月19日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统，作为一种电子滤波器，数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。数字滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。数字滤波器理论上可以实现任何可以用数学算法表示的滤波效果。随着集成电路技术的发展，其性能不断提高而成本却不断降低，数字滤波器的应用领域也因此越来越广。数字滤波器的分类根据单位脉冲响应的不同，数字滤波器可分为iir（无限长单位冲激响应）和fir（有限长单位冲激响应）数字滤波器两大类1 。它们各有优缺点，因此在应用时应根据技术要求及所处理信号的特点予以选择。在通信、图像处理以及数据传输等领域要求信道具有线性相位特性，相对于iir滤波器，fir滤波器具有稳定性，因果性，线性相位等特点，易于实现和系统绝对稳定的优势，因此在这些领域得到了广泛的应用。fir数字滤波器的基本原理结构和硬件实现方式 基本原理结构 对于一个fir数字滤波器系统而言,其冲击响应是有限的,其数学表达式见式1 2: 式1其中： n：fir为滤波器的阶数；hn：滤波器系数；xn：滤波器输入采样信号； yn：滤波器的输出信号。fir 滤波器一般有三种结构形式：直接型、级联型和频率采样型3，这三种结构中，由于频率采样型和快速卷积型结构中需要进行复数运算，计算复杂，不适合于在可编程逻辑器件中实现；级联型结构不便于调整系数，实现时需3n/2 次乘法，n 次加法，总运算量为3n/2 次乘法；而直接型结构总运算量可减少至n/2 次乘法，且系数调整方便，因此多采用直接型结构实现。目前，fir数字滤波器的硬件实现有以下几种方式： （1）集成电路fir数字滤波器一种是使用单片通用数字滤波器集成电路，这种电路使用简单，但是由于字长和阶数的规格较少，不易完全满足实际需要。虽然可采用多片扩展来满足要求，但会增加体积和功耗，因而在实际应用中受到限制。 (2）dsp芯片fir数字滤波器另一种是使用dsp芯片。dsp芯片有专用的数字信号处理函数可调用，实现fir数字滤波器相对简单，但是由于程序顺序执行，速度受到限制。而且，就是同一公司的不同系统的dsp芯片，其编程指令也会有所不同，开发周期较长。(3)可编程fir数字滤波器 还有一种是使用可编程逻辑器件fpgacpld, 主要以硬件描述语言（verilog 或 vhdl）来完成4，也可以通过matlab/simulink,以dsp builder形式来完成5。fpga有着规整的内部逻辑块整列和丰富的连线资源，特别适合用于细粒度和高并行度结构的fir数字滤波器的实现，相对于串行运算主导的通用dsp芯片来说，并行性和可扩展性都更好。通过简单的比较，很容易看出使用可编程fir数字滤波器有着明显的优势，下面着重介绍一下fpga的相关知识。fpga简介fpga（field programmable gate array），即现场可编程门阵列，是eda技术的应用。它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物。fpga技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。在专用集成电路（asic）领域中作为一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。fpga的基本特点有采用fpga设计asic电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片； fpga可做其它全定制或半定制asic电路的中试样片； fpga内部有丰富的触发器和io引脚； fpga是asic电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一； fpga采用高速chmos工艺，功耗低，可以与cmos、ttl电平兼容。 可以说，fpga芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。fpga是由存放在片内ram中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的ram进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，fpga芯片将eprom中数据读入片内编程ram中，配置完成后，fpga进入工作状态。掉电后，fpga恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，fpga能够反复使用。fpga的编程无须专用的fpga编程器，只须用通用的eprom、prom编程器即可。当需要修改fpga功能时，只需换一片eprom即可。这样，同一片fpga，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，fpga的使用非常灵活。fpga主要以vhdl语言来描述的，vhdl语言是一种用于电路设计的高级语言。vhdl主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口，除了含有许多具有硬件特征的语句外，vhdl的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。vhdl支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，vhdl还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。vhdl还支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，能够方便地创建高层次的系统模型。现在还可以通过dsp builder来实现硬件语言的描述。dsp builder是一个系统级设计工具，它架构在多个软件之上，依赖于数学分析工具matlab/simulink,以simulink的blockset出现，在simulink中进行图形化设计和仿真，同时通过signalcompiler可以把matlab/simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言vhdl设计文件(.vhd)，以及用于控制综合与编译的tcl脚本。 sopc嵌入式系统sopc（system on programmable chip）即可编程的片上系统，或者说是基于大规模fpga的单片系统。sopc的设计技术是现代计算机辅助设计技术，eda技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。基于fpga 的sopc设计技术是当前电子系统设计领域最前沿的技术之一。sopc技术的目标是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器系统、dsp系统、数字通信系统、存储电路等，在单一fpga中实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、开发周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。 总结:前eda技术越来越成熟，fpga正日益广泛的应用到数字信号处理各个领域。fpga中的嵌入式处理器进一步提高了fpga的系统集成和灵活性，使之成为一个软件与硬件联合开发和灵活定制的结合体，可使设计者既能在嵌入式处理器中完成系统软件模块的开发和利用，也能利用fpga的通用逻辑宏单元完成硬件功能模块的开发。eda专家认为，只要eda开发工具的功能允许，将有无数的证据证明可以实现基于fpga的超级计算机的开发. fpga的功能越来越完善、灵活，处理速度越来越快，有着无限的未来发展空间。参考文献 1 唐向宏.数字信号处理原理、实现与仿真m.北京:高等教育出社,2006,153-154.2 赖联有,吴伟力,许伟坚.基于fpga的fir滤波器设计j.集美大学学报,2006， 11(4):347-350.3 蒋垒,王昌林,刘鎏,许冲.基于fpga的fir数字滤波器算法实现j.舰船电子工程, 2006,1:151-156.4 张海军.基于fpga的16阶fir滤波器的设计与实现j.安徽大学学报, 2009,33(1): 62-66.5 潘松,黄继业,曾旈.sopc 技术实用教程m.北京：清华大学出版社, 2005,151-166.6 李星，杨家玮.基于fpga的fir数字滤波器的设计j. 电子科技,2006,7:16-22.7 王静,鱼云岐.基于fpga的fir 数字滤波器设计与仿真j.国外电子元器件, 2008,11:90-92.8 陈昭明. 基于fpga的fir数字滤波器的设计与实现j.大众科技,2009,11:48-50.9 杨国庆.基于fpga的fir数字滤波器的设计与实现j.现代电子技术, 2008,19: 184-186.10 李雪生.基于fpga的fir数字滤波器设计j.中国高新技术企业,2010,1:29-30.11 周立功.sopc嵌入式系统基础教程m.北京：北京航空航天大学出版社,2006.12 潘松,黄继业,王国栋.现代dsp 技术m.西安电子科技大学出版社,2003.13 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现m.北京：清华大学出版社，200314 潘松,黄继业.eda技术与vhdim.北京：清华大学出版社，200515 volnei a.pedroni. circuit design with vhdlm.北京：电子工业出版社，2003.16 董长虹等. matlab信号处理与应用m.北京：国防工业出版社，2005.17 李健. 基于fpga的高速fir数字滤波器设计d.西安：西安理工大学，2008. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要研究的问题：本课题研究利用fpga技术进行fir数字滤波器设计，内容涉及dds、a/d、d / a、fir滤波器等技术。要求：掌握fir数字滤波器理论和设计方法；熟悉fpga的原理和应用技术，并学习相关软件以实现fpga的嵌入使用。本课题研究的技术对一般电路系统的设计具有重要意义。 研究手段：通过阅读文献资料，掌握eda、fpga的相关概念结和应用，学会 quartusii软件的使用，学习用vhdl语言编程和dsp builder模块的使用，选择适宜的方法设计fir数字滤波器以及dds、a/d、d/a 等各模块。根据相关要求设计总的系统原理框图，设计各部分元件的功能模块及vhdl语言编程，使用quartusii软件各部件进行仿真校验，连接各部件组成总电路并进行校验，使用fpga技术将设计数据嵌入工具箱进行测试和验证，并得到正确结果，最后完成毕业论文撰写。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该文献综述涉及面较广，详细地介绍了课题的研究目的与意义、目前国内外的研究进展情况、相应理论知识及其应用前景等问题，文献综述