基于FPGA的FIR滤波器设计开题报告

电 子 与 信 息 工 程 系2012届本科毕业设计（论文）开 题 报 告题目 基于FPGA的FIR滤波器的设计 班 级 电子12-2 姓 名 指导教师 一、综述随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。作为数字信号处理的一项重要内容，数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性。目前FIR滤波器的实现方法有三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件实现。本文选用可编程逻辑器件实现FIR滤波器。现场可编程门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。目前使用最多的可编程开发环境Quartus II 软件支持几乎所有的EDA（电子设计自动化）工具，并且可以通过命令行或Tcl脚本文件与第三方EDA工具之间进行无缝连接。但在很多工程设计应用中，由FPGA器件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制形式输出的信号可视性差，给设计人员进行仿真、调试带来了很多不便。对于很多工程设计人员来说MATLAB是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPGA与MATLAB接口，就可以快速、准确、直观地对FPGA程序进行校验和仿真，尤其在数字信号处理等工程应用领域具有实际意义。本文正是借助于MATLAB/Simulink工具设计分析FIR数字滤波器，并实现对FIR数字滤波器系统的模拟仿真。近年来，FPGA市场开发十分迅速，各大FPGA厂商不断采用新技术来提高FPGA器件的容量，增强软件的性能。如今，FPGA器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等诸多领域，越来越多的电子设计人员在使用FPGA，熟练掌握FPGA设计技术已经是对电子设计工程师的基本要求。自从xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来，由于集成度高、方便易用、开发和上市周期短，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、片内存储器、逻辑单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT、FTR、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。在经典滤波器采用的电路中，若要同时满足多个技术指标或达到较高的精度，往往涉及复杂、结构庞大、元件数量多，并且还可能达不到要求。随着利用计算机技术解决滤波器设计的不断深入，派生出了一个新的分支，即数字滤波器，同模拟滤波器相比，它具有精度高、灵活性好、便于大规模集成等突出优点。近二十年来，FPGA技术的飞速发展为数字滤波器的设计和实现开辟了一条广阔的道路。二、课题的实用价值或理论意义2.1 研究的意义(1).在信号处理领域中，对信号处理的实时性、快速性的要求越来越高；(2).模拟滤波器无法克服电压漂移、温度漂移和噪声等问题；(3).数字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；(4).FPGA在高速并行处理和数据传输中有独特的优势，FPGA正在前端信号处理中越来越多地代替ASIC和DSP。2.2 FIR与IIR滤波器相比具有的优势(1).具有严格的线性相位又具有任意的幅度(2).FIR滤波器的单位采样响应是有限长的，因而滤波器性能稳定；(3).FIR滤波器由于单位冲击响应是有限长的，因而可用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现过滤信号，可大大提高运算效率。2.3 使用FPGA器件进行研究的优点效能上，能够突破顺序执行；在上市时间上，用户的变更时间短；在成本上，能够跟随系统需求变化；可靠性方面，不需要使用作业系统；在长期维护上，具有可重设性质。随着FPGA制造工艺的不断发展，FPGA已经从传统的数字逻辑的设计，发展到用于进行数字信号处理和嵌入式系统的设计。这就使得数字信号处理技术向着多元化实现的方向发展。数字技术革命导致了大量新的产品和解决方案的诞生，与之相随的是数字信号处理（DSP）领域的数字滤波器研究的发展。从20世纪70年代幵始，工程师们就开始用分立元件构造专用数字滤波器。和大规模集成电路（LSI）的发展，使数字滤波器成为数字信号处理的核心技术。迄今为止，该技术发展程度如下：(1)速度快、精度高。(2)可编程，自适应。(3)频率范围宽。(4)面积小，可协同工作。(5)成本低。(6)可靠性高，可重复使用。三、课题研究方案3.1研究思路通过目前数字滤波器的几种实现方法的简单分析，我认为基于FPGA的数字滤波器具有许多优点，考虑到信息技术的发展对于数字滤波器的要求越来越高，而目前滤波器的性能还不完善，于是选择了基于FPGA的数字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，分析FIR数字滤波器由于系数取整和采样值取整所引起的误差，在设计后期对电路实行前仿真和后仿真，也对仿真结果进行分析。3.2设计流程NN系统设计电路构思电路设计与输入（HDL.代码、原理图、波形、状态机）功能仿真是否正确综合优化综合后仿真是否正确实现与布局布线布局布线后仿真与验证是否正确版级仿真与验证是否正确加载配置在线调试是否为综合优化问题是否为实现的问题YYYYYYNNN四、所阅读的文献、资料1 刘凌.数字信号处理的FPGA实现.北京：清华大学出版社，20062赵雅兴.FPGA原理、设计与应用M.天津：天津大学出版社，19993郑君里，应启珩，杨为里.信号与系统M.北京：高等教育出版社，2011五、论文工作安排1.第一阶段：开题 3月下旬2.第二阶段：设计阶段（实验工作阶段）4月初至6月初（两个月） 总体方案设计；前期检查；产品结构的设计、仿真与优化；中