基于FPGA的数字滤波器的设计

基于FPGA的音频信号数字滤波器设计与实现音频信号数字滤波器是一种常见的数字信号处理技术，它可以对音频信号进行滤波处理，提取出用户感兴趣的频率成分，去除不需要的噪声等。

近年来，随着现代科技的发展，基于现场可编程门阵列（FPGA）的音频信号数字滤波器的设计与实现越来越受到人们的关注。

本文将介绍基于FPGA的音频信号数字滤波器的设计原理和实现方法。

FPGA是一种可编程逻辑器件，具有高度的灵活性和可编程性，可以根据用户的需求进行定制化的设计。

在音频信号处理中，FPGA可以被用来实现数字滤波器，通过对音频信号进行采样和滤波处理，改善音频信号的质量。

1. 设计原理基于FPGA的音频信号数字滤波器的设计原理主要包括以下几个方面：1.1 数字滤波器的选择在设计过程中，首先需要选择适合音频信号处理的数字滤波器。

常见的数字滤波器包括有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器。

FIR滤波器具有线性相位和稳定性等优点，常用于音频信号处理中。

1.2 滤波器的特性和参数根据音频信号处理的要求，可以确定滤波器的通带、阻带、截止频率等参数。

通过对滤波器的特性进行设置，可以实现对音频信号的不同频段进行滤波处理。

1.3 整体系统设计在确定滤波器的参数后，需要进行整体系统的设计。

这包括对FPGA的硬件资源进行评估，选择适合的FPGA器件以及其他所需外设的选择。

同时，还需要设计滤波器的时钟、采样率等系统参数，并进行时序分析和综合等步骤。

2. 实现方法基于FPGA的音频信号数字滤波器的实现方法主要涉及以下几个方面：2.1 开发环境的选择在进行设计之前，需要选择适合的开发环境。

常见的FPGA开发工具包括Xilinx的Vivado和Altera的Quartus II等。

这些工具提供了实现FPGA的硬件描述语言（如Verilog或VHDL）以及综合、布局布线等功能。

2.2 硬件描述语言的编写根据滤波器的设计原理和参数，可以使用硬件描述语言编写滤波器的逻辑电路。

基于FPGA的数字滤波器设计与实现数字滤波器是一种非常重要的信号处理器件，用于从信号中分离出特定频率下的成分。

它可以应用于音频、无线通讯、图像处理等领域，并且随着数字信号处理技术的发展，数字滤波器的性能和功能也日益提高。

本文将介绍基于FPGA的数字滤波器的设计与实现，以及其在实际应用中的一些注意事项。

一、数字滤波器的工作原理数字滤波器是通过模拟信号转换成数字信号后，在数字域中进行信号处理的器件。

其工作原理与模拟滤波器类似，其主要作用是从信号的频谱中分离出所需要的成分。

数字滤波器通常由数字滤波器器件和数字信号处理器构成。

数字滤波器可以分为时域滤波器和频域滤波器。

时域滤波器是根据信号的时间域特性进行滤波，滤波算法通常采用卷积或差分运算。

频域滤波器是将信号变换到频域后通过频率响应特性进行滤波，其通常采用离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）等算法。

二、FPGA实现数字滤波器的方式FPGA是一种基于可编程逻辑单元的可重构芯片，具有灵活性、高速性和可重构性等特点，非常适合用于数字信号处理的应用。

FPGA实现数字滤波器的方式主要有两种：直接实现数字滤波器和通过CPU控制实现数字滤波器。

直接实现数字滤波器是指将数字滤波器的算法逻辑直接实现在FPGA芯片内部，其优点是响应速度快、功耗低、实现简单。

缺点是难以对算法进行改进和优化。

而通过CPU控制实现数字滤波器则是将数字滤波器的算法逻辑实现在CPU中，通过FPGA模块将需要滤波的信号通过DMA方式传输给CPU进行处理。

该方式的优点是灵活性高、可扩展性强，缺点是响应速度慢。

三、数字滤波器设计的基本步骤数字滤波器的设计需要进行三个主要的步骤：滤波器的规格化、系统函数的设计和离散化。

滤波器的规格化是指根据滤波需求，对滤波器进行不同的设计。

主要包括滤波器类型的选择、通带、阻带和过渡带的确定等。

系统函数的设计是指根据滤波器的规格化要求，设计出数字滤波器的系统函数。

基于FPGA的数字滤波器的设计与实现数字滤波器是一种非常重要的数字信号处理技术，用于消除输入信号中的噪声，并提高信号品质和可靠性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种用于构建数字电路的可编程逻辑器件，因其高度的可定制性、可重构性和高性能而被广泛应用于数字信号处理中。

本文将介绍基于FPGA的数字滤波器的设计和实现，包括滤波器原理、数字滤波器设计方法、FPGA实现技术以及实验结果分析等内容。

一、数字滤波器原理数字滤波器是滤波器的一种，其实现基于数字信号处理技术。

数字滤波器的输入信号是离散时间信号，输出信号也是离散时间信号。

数字滤波器通过在离散时间域上对输入信号进行滤波，实现对输入信号中某些频率成分的滤除或保留。

数字滤波器通常分为FIR（有限脉冲响应）滤波器和IIR（无限脉冲响应）滤波器两类。

FIR滤波器是一种线性相位滤波器，其系统函数是一个有限长度的冲激响应权重系数序列。

FIR滤波器通过对输入信号的每个样本与权重系数的乘积进行累加，输出得到滤波后的信号。

FIR滤波器具有零相位失真、线性相应特性、易于设计、易于实现等优点。

IIR滤波器是一种具有无限脉冲响应的滤波器，其系统函数是一个有理多项式。

与FIR滤波器相比，IIR滤波器具有更高的滤波效率、更低的计算复杂度和更好的逼近性，但也存在稳定性差、相位失真大等问题。

二、数字滤波器设计方法数字滤波器的设计方法主要包括滤波器性能要求的确定、滤波器类型的选择、滤波器设计的数学模型的建立、滤波器参数的计算、滤波器实现等几个方面。

在确定滤波器性能要求方面，需要考虑滤波器的通频带、阻带、通带和阻带带宽、滤波器响应曲线、阶数等方面的参数。

在滤波器类型的选择方面，需要根据滤波器的性能要求、实现难易度、计算复杂度和开销等方面的因素进行综合考虑。

在滤波器设计的数学模型的建立方面，需要根据选定的滤波器类型建立其对应的数学模型。

在滤波器参数的计算方面，需要根据滤波器的数学模型进行参数的计算和优化。

摘要数字信号处理在科学和工程技术等许多领域中得到了广泛的应用，其中数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分。

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。

本课题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 Ⅱ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: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ABSTRACTDigital signal processing is widely used in lots of fields, such as in science and project technique, Digital filter is one of the important contents of digital signal process. 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 Ⅱ, 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目录1器件简介 (1)2 IIR数字滤波器的相关理论 (4)2.1 IIR滤波器的基本理论 (4)2.1.1 IIR数字滤波器的幅频特性 (5)2.1.2 IIR数字滤波器的相频特性 (7)2.2 IIR数字滤波器的实现结构 (7)2.2.1 直接型结构 (7)2.2.2 级联型结构 (8)2.2.3并联型结构 (10)2.3 数字滤波器的有限字长效应理论 (10)2.3.1 数字表示 (11)2.3.2 输入量化 (12)2.3.3 系数量化 (13)2.3.4 乘积量化 (17)2.3.5 极限环 (19)3 IIR数字滤波器的分析设计 (21)3.1 IIR数字滤波器的模拟转换设计法 (21)3.2 IIR数字滤波器的S-Z变换设计 (21)3.2.1标准Z变换 (22)3.2.2双线性Z变换 (24)3.3 IIR数字滤波器的零极点累试法 (25)3.4 优化设计法 (25)3.5 IIR数字滤波器的硬件实现方案 (25)4 EDA技术和可编程逻辑器件 (30)4.1 电子设计自动化EDA技术 (30)4.2 可编程逻辑器件 (30)4.2.1 FPGA概要 (31)4.2.2 FPGA设计语言 (31)4.2.3 FPGA开发环境 (32)5 IIR数字滤波器的设计与仿真结果分析 (33)5.1 各模块的设计与仿真结果分析 (33)5.1.1 时序控制模块的设计与仿真结果分析 (33)5.1.2 延时模块的设计与仿真结果分析 (34)5.1.3 补码乘加模块的设计与仿真结果分析 (35)5.1.4 累加模块的设计与仿真结果分析 (36)5.1.5 顶层模块设计 (36)5.2 IIR数字滤波器的仿真与结果分析 (37)5.2.1 IIR数字滤波器的系统设计 (37)5.2.2 IIR数字滤波器的系统仿真与结果分析 (38)5.2.3 高阶IIR数字滤波器的实现 (39)6 IIR数字滤波器的硬件实现 (40)6.1 IIR数字滤波器的硬件实现平台 (40)6.1.1 硬件结构 (40)6.1.2器件介绍 (41)6.1.3 JTAG链简介 (43)6.1.4 FPGA的配置 (44)6.2 IIR数字滤波器的VHDL设计 (45)6.2.1 接口定义 (45)6.2.2 综合与仿真 (45)6.3 数字滤波器的实现 (45)结束语 (46)参考文献 (47)致谢 (48)附录1 各模块VHDL程序 (49)1器件简介数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。

基于FPGA的数字滤波器的设计摘要：本文设计了一个有限长FIR数字低通滤波器，采样频率1M Hz，截止频率100K Hz，输入输出数据为8位。

软件测试阶段中，滤波器的系数和函数类型可以通过Matlab编程仿真的数据来进行确认，再利用分布式算法在FPGA芯片上完成滤波器的乘累加部分，FIR滤波可以使用Verilog语言编程实现，最后的仿真是在Modelsim上完成。

实物的测试阶段中，由信号源产生输入信号，在A/D、D/A模块经A/D可以将信号转入FPGA芯片进行滤波，得到滤波结果由D/A转换芯片输出，同时FPGA芯片可以控制A/D和D/A模块的工作，最后的滤波结果送示波器观察。

研究结果表明，这次论文中涉及到的FIR滤波器硬件的模块小，只是1MHz 采样频率。

将查找表进行相应的改动能实现高通、带通的FIR滤波器，这也体现了设计的灵活性。

关键词：分布式算法；FPGA；Verilog语言；FIR滤波器1. 国内外研究现状数字滤波器在国内外的地位一直很高，目前国内外普遍使用的乘法有分布式算法，并串行乘法。

其中分布式算法的乘法广受人们喜欢，因为他有着一个特点，既可以全并行又可以全串行实现还可以并串一起实现。

目前，可使用软件和硬件来实现FIR滤波器，其中软件实现只要在计算机上利用MATLAB编程就可以了，这种方法比较简单，简单易懂。

硬件需要通过数字处理器和DSP处理器来实现的，这种方法可操作性高，不易理解。

2 研究背景及意义随着通信发展的脚步越来越快，我们使用的模拟滤波器越来越满足不了人们期望，比如速度太慢，噪音太大，电压漂移，温度漂移导致会产生误差等一系列问题，所以出现了替代模拟滤波器的数字滤波器，它具有模拟滤波器没有的稳定性高、速度快、灵活性的设计等特点。

现在数字滤波器目前应用广泛，它在语音处理、图像处理、雷达信号处理、电视信号处理都有涉及。

现在本文将利用FPGA来实现FIR数字滤波器的实现，FPGA既是现场可编程门列，具有速度快成本又低规模还小等一系列优点。

摘要伴随技术的快速进步，电子领域的变化也是日新月异，而数字滤波器因为其优良性能而应用广泛，数字滤波器是数字信号处理的一个分支。

在现实应用中,灵活与实时这两个特性是信号处理的基本要求，但是目前来说一般很难满足这两个指标。

当FPGA和电子设计自动化技术进步越来越快，很多电子设计师开始选择用FPGA来完成数字滤波器的设计,因为FPGA不仅可以兼顾系统的灵活性而且实时性也可以保障。

但是要改变滤波器的类型即修改其参数时，需要设计者通过再次变成来进行改变,这样一来设计资源产生极大浪费。

面对这种现象，采用以多种算法为基础，在FPGA下进行操作，并且得到程序代码，在此基础上需要开发出相应的软件系统,这样系统资源浪费现象可以受到抑制，从而使设计的周期极大的缩短。

数字滤波器的方法是滤波器设计的关键。

由于有限滤波器的线性相位性和时延的不变性，所以数字滤波器在实际应用的地位很重要。

关键词：FIR数字滤波器；FPGA；EDA技术AbstractWith the development of electronic technology, digital filters with its good characteristics is widely used in various fields. It belongs to the digital signal processing is one of the basic modules. In engineering practice, signal processing of flexibility and real time requirement high, and some existing software and hardware design way is difficult to achieve at the same time the two requirements. With programmable logic devices and EDA technology development, the use of FPGA to realize digital filters, can also give consideration to the real time and the flexibility of the system, more and more of the electronic engineer the FPGA device to realize the filter. However, when the filter filter parameters change, or need hardware engineer to write the code, which caused a lot of design waste of resources.According to this problem, this paper studies the FPGA platform based on all kinds of the design of the digital filter algorithm, based on the algorithm of research that a with all sorts of algorithm to realize the filter code library, and based on this code library development that can automatically generate hardware of software code filter system, thus eliminating the design parameters for the design of change and lead to waste, greatly reducing the filter design cycle. Digital signal processing of the discipline of a great progress on digital filter is the study of the method of design. And FIR digital filters can be realized linear phase, the group delay not on frequency change, so in digital signal processing occupied a very important position.Keywords: FIR digital filters ；FPGA；EDA technoligy目录目录第一章引言 (1)第二章滤波器简介 (2)2.1滤波器的原理 (2)2.2滤波器的分类 (3)2.2.1滤波器的基本分类 (3)2.2.2根据“最佳逼近特性”标准分类 (3)2.3理想滤波器 (4)2.4实际滤波器 (4)第三章FPGA相关器件和发展状况 (6)3.1FPGA简介 (6)3.2FPGA工作原理 (6)3.3CPLD与FPGA的关系 (7)3.4FPGA的电源 (7)3.4.1FPGA使用的电源类型 (7)3.4,2FPGA的特殊电源要求 (8)3.4.3FPGA配电结构 (8)3.5FPGA芯片结构 (9)3.6FPGA基本特点 (10)第四章系统硬件设计及外围硬件配置电路 (12)4.1FIR滤波器硬件结构框架 (12)4.2A／D转换电路 (12)4.3D／A转换电路 (13)4.4FIR数字滤波电路 (17)4.5滤波效果测试 (19)第五章各模块的软件编程及仿真结果 (19)5.1数字滤波器的模块组成 (19)5.2各模块中的单元 (19)5.3部分模块的编程和仿真 (20)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (32)第一章引言第一章引言数字信号处理和数字滤波器，广义来说，数字信号处理是一种以数字技术为基础的，对各种信号进行分析处理的技术。

基于 FPGA 的数字滤波器设计与实现引言：数字滤波器是现代信号处理的重要组成部分。

在实际应用中，为了满足不同信号处理的需求，数字滤波器的设计与实现显得尤为重要。

本文将围绕基于 FPGA的数字滤波器的设计与实现展开讨论，介绍其工作原理、设计方法以及优势。

同时，还将介绍一些实际应用场景和案例，以展示基于 FPGA 的数字滤波器在实际应用中的性能和效果。

一、数字滤波器的基本原理数字滤波器是一种将输入信号进行滤波处理，改变其频谱特性的系统。

可以对频率、幅度和相位进行处理，实现信号的滤波、去噪、增强等功能。

数字滤波器可以分为无限脉冲响应滤波器（IIR）和有限脉冲响应滤波器（FIR）两种类型。

IIR滤波器是通过递归方式实现的滤波器，其输出信号与过去的输入信号和输出信号相关。

FIR滤波器则是通过纯前馈结构实现的，其输出信号仅与过去的输入信号相关。

两种类型的滤波器在性能、复杂度和实现方式上存在一定差异，根据具体的应用需求选择适合的滤波器类型。

二、基于 FPGA 的数字滤波器的设计与实现FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，通过可编程逻辑单元（PLU）、可编程连线（Interconnect）和可编程I/O（Input/Output）实现。

其可编程性使得 FPGA 成为数字滤波器设计与实现的理想平台。

1. FPGA的优势FPGA具有以下几个优势，使得其成为数字滤波器设计与实现的首选平台：灵活性：FPGA可以根据设计需求进行自定义配置，可以通过修改硬件逻辑来满足不同应用场景的需求。

可重构性：FPGA可以重复使用，方便进行修改和优化，减少芯片设计过程中的成本和风险。

高性能：FPGA具有并行处理的能力，可以实现多通道、高速率的实时数据处理，满足对于实时性要求较高的应用场景。

低功耗：FPGA可以进行功耗优化，通过减少冗余逻辑和智能布局布线来降低功耗。

2. 数字滤波器的实现方法基于 FPGA 的数字滤波器的实现方法主要有两种：直接法和间接法。

基于FPGA的数字滤波器设计与实现——滤波器自动生成系统设计的开题报告一、研究背景和意义数字滤波器作为数字信号处理领域的重要组成部分，在信号处理、通信系统、医疗仪器等领域具有广泛的应用。

传统的数字滤波器设计方法需要进行复杂的数学推导和模拟仿真，设计周期长、成本高、效率低。

基于FPGA的数字滤波器设计具有可重构性、可编程性等优势，在数字滤波器设计与实现中占据重要地位。

因此，探索基于FPGA的数字滤波器设计与实现方法，开发滤波器自动生成系统，具有重要的实用价值和研究意义。

二、研究内容和目标本文主要研究基于FPGA的数字滤波器设计与实现，探索实现滤波器自动生成系统的方法。

研究内容包括数字滤波器原理、FPGA开发平台选取、数字滤波器设计方法、滤波器自动生成系统设计等方面。

研究目标是开发出基于FPGA的数字滤波器自动生成系统，实现数字滤波器自动化设计。

从而实现数字滤波器设计的自动化、智能化与高效化。

三、研究方法本文主要采用文献研究法、实验法、建模方法等研究方法。

文献研究法主要用于对数字滤波器原理、FPGA开发平台、数字滤波器设计方法、滤波器自动生成系统设计等方面进行系统性和全面性的了解；实验法主要用于验证和测试设计方案的可行性和实用性；建模方法主要用于建立数字滤波器自动生成系统的数学模型，分析和优化系统设计。

四、预期成果和意义本文预期成果是基于FPGA的数字滤波器自动生成系统，该系统具有数字滤波器设计的自动化、智能化与高效化特点。

该系统的研究成果将提高数字滤波器的设计效率、减少设计周期、提高数字信号处理的实时性和精度。

同时，该系统的研究成果将推动数字滤波器设计与实现的发展，具有很高的实用价值和研究意义。

332023年4月上 第07期 总第403期信息技术与应用China Science & Technology Overview进行相乘后，再积分运算，去除时间无关的干扰信号，获I/O 资源，含一个LTC 1407A 模数转换器和一个收稿日期：2022-10-10作者简介：周钧（1987—），男，壮族，广西南宁人，硕士研究生，工程师、硬件设计师，研究方向：FPGA、网络通信。

基于FPGA 的数字滤波器设计周 钧 樊 闯（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连 116000）摘 要：本文主要对一种基于FPGA 技术的数字锁相滤波器的设计。

结合Xilinx 开发平台，根据噪声信号非时间相干特性进行数字滤波器设计，在SPARTAN-3E 硬件板上完成了硬件协同仿真测试，同时给出测试结果。

测试结果表明，该数滤波器的消除噪声满足技术要求。

关键词：FPGA ；非时间相干特性；数字滤波图1 数字滤波设计原理342023年4月上 第07期 总第403期信息技术与应用China Science & Technology Overview示器。

示波器Tektronix TPS 2024：带宽为200MHz，最高取样速率：2.0GS/s，具有4个通道。

信号发生器HM-8030：频率50MHz 至10MHz，具备高纯度和幅度稳定性。

3.基于FPGA 的数字滤波器设计3.1 设计框架FPGA 设计框架如图2所示。

块，滤波模块和LCD 显示模块这些二级模块组成；（5）各二级模块根据功能划分，将各自功能用VHDL 进行编码设计。

二级模块经过仿真实现，在顶层模块进行结合，实现一整套系统功能。

3.3.1 模数转换设计ADC 芯片将采集的模拟信号离散化为单个离散采样值。

再将采样值转为数字值，根据板卡搭载的ADC 芯片[4]simulation 仿真产生的模拟信号可以非常接近，但是始图3 测试验证（a）测试1（b）测试2China Science & Technology Overview信息技术与应用0,4 V(max 0,223 V)(max 0,239 V)(max 0,233 V)(max 0,214 V)(max 0,234 V)352023年4月上 第07期 总第403期。

基于FPGA的数字滤波器设计与实现数字滤波器是信号处理中常用的工具，可以通过滤除不需要的频率成分或者增强需要的频率成分对信号进行处理。

在数字信号处理领域，基于FPGA的数字滤波器设计与实现是一项重要的研究课题。

本文将介绍FPGA数字滤波器的设计原理、实现方法和应用领域。

首先，我们来了解一下FPGA（可编程逻辑门阵列）是什么。

FPGA是一种可重构的硬件平台，它由大量的可编程逻辑门电路构成。

相比于传统的ASIC（专用集成电路）设计，FPGA具有更高的灵活性和可重构性，可以实现多种不同的电路功能。

在数字滤波器设计中，FPGA可以用来实现各种类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

FPGA数字滤波器的设计通常包括以下几个步骤：1. 规格定义：确定滤波器的工作频率范围、滤波器类型（如FIR滤波器或IIR滤波器）、滤波器阶数和滤波器的性能指标等。

2. 滤波器设计：根据规格定义，选择适合的滤波器结构和滤波器系数设计方法，如窗函数法、频率采样法或者最小二乘法等。

设计好的滤波器可以通过MATLAB等工具进行模拟验证。

3. 滤波器实现：将滤波器设计转化为可在FPGA上实现的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）。

在这个步骤中，需要将滤波器结构转化为逻辑电路，并根据具体的FPGA平台选择适合的资源分配和布局策略。

4. 仿真验证：使用EDA（电子设计自动化）工具对滤波器进行仿真验证，确保其在FPGA上的功能和性能与设计规格一致。

5. 实际实现：将经过仿真验证的滤波器设计烧录到FPGA 芯片中，并进行实际的性能测试。

测试结果可以与仿真结果进行比较，来评估滤波器的实现质量。

FPGA数字滤波器的设计和实现具有以下几个优势：1. 高性能：FPGA提供了大量的逻辑资源和高速IO接口，可以实现复杂的滤波器结构和算法，并能够处理高速数据流。

2. 低功耗：相比于通用处理器，FPGA的功耗较低，可以在不牺牲性能的情况下降低系统的功耗。

基于fpga的滤波器设计与实现基于FPGA的滤波器设计与实现一、引言滤波器是信号处理中常用的一种工具，它可以通过剔除或增强信号中的特定频率分量来改变信号的特性。

而基于FPGA的滤波器是一种利用可编程逻辑器件FPGA来实现滤波功能的方法。

本文将介绍基于FPGA的滤波器的设计与实现过程。

二、滤波器的基本原理滤波器主要通过改变信号的频谱特征来实现滤波效果。

它可以分为两类：低通滤波器和高通滤波器。

低通滤波器通过剔除高频分量，保留低频分量；高通滤波器则相反，剔除低频分量，保留高频分量。

滤波器的设计需要根据具体的需求选择合适的滤波器类型和参数。

三、基于FPGA的滤波器设计与实现基于FPGA的滤波器设计与实现可以分为以下几个步骤：1. 确定滤波器类型和参数：根据实际需求，选择合适的滤波器类型和参数。

例如，如果需要设计一个低通滤波器，需要确定截止频率和滤波器阶数等参数。

2. 数字滤波器设计：将滤波器的模拟设计转化为数字滤波器的设计。

常见的数字滤波器设计方法有FIR滤波器设计和IIR滤波器设计。

FIR滤波器是一种无反馈的滤波器，具有线性相位特性；IIR滤波器则具有反馈结构，可以实现更高阶的滤波器。

3. 将数字滤波器转化为FPGA可实现的结构：将数字滤波器转化为FPGA可实现的结构，可以采用直接形式实现、级联形式实现或者管线化实现等方法。

其中，直接形式实现是最简单直观的方法，但其硬件资源占用较多；级联形式实现可以减少硬件资源的占用，但增加了延迟；管线化实现则可以兼顾硬件资源和延迟。

4. 使用HDL语言进行FPGA设计：使用HDL语言，如VHDL或Verilog，进行FPGA设计。

根据设计的结构和功能，编写相应的HDL代码。

在编写代码时，需要注意代码的可重用性和可维护性，以便后续的设计和调试。

5. 硬件验证和性能优化：完成HDL代码后，进行FPGA的硬件验证和性能优化。

通过仿真和验证，确保设计的正确性和稳定性。

同时，可以根据实际需求对硬件进行优化，如减小资源占用、降低功耗等。

基于FPGA的数字滤波器的设计与实现
在信息信号处理过程中,如对信号的过滤、检测、预测等,都要用法到,数字滤波器是数字信号处理中用法最广泛的一种办法,常用的数字滤波器有无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器和有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器两种。

对于应用设计者,因为开发速度和效率的要求很高,短期内不行能全面了解数字滤波器相关的优化技术,需要花费很大的精力才干使设计出的滤波器在速度、资源利用、性能上趋于较优。

而采纳调试好的IP核需要向公司购买。

本文采纳了一种基于 Builder的设计办法,以一个低通的16阶FIR滤波器的实现为例,通过生成的滤波器顶层模块文件与A/D模块文件设计,在联星科技的NC--2000C试验箱上验证了利用该办法设计的数字滤波器工作正确牢靠,能满足设计要求。

1 FIR滤波器的参数设计
1.1 设计要求
数字滤波器事实上是一个采纳有限精度算法实现的线性非时变离散系统,它的设计步骤为先按照需要确定其性能指标,设计一个系统函数H （z）靠近所需要的技术指标,最后采纳有限精度算法实现。

本系统的设计指标为：设计一个16阶的低通FIR滤波器,对模拟信号的采样频率Fs为48KHz,要求信号的截止频率Fc=10.8kHz,输入序列为宽为9位（最宽位为符号位）。

1.2 FIR滤波器的参数选取
设计频率挑选性数字滤波器时,通常希翼能有近似恒定的频响幅度,并尽量减小通带内的相位失真,斜率为整数的线性相位对应于时域中容易的延时,他在频域中可将相位失真降低到最小的程度,用Matlab提供的滤波器设计的特地工具箱--FDAtool设计滤波器,满足要求的FIR 滤波器幅频特性,1所示。

2 数字滤波器的DSP Builder设计
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学士论文基于FPGA的FIR数字滤波器设计摘要随着公元的第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。

在现代电子数字系统中，滤波器都以一个不可缺少的身份出现。

其中，FIR数字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——数字滤波器。

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数字滤波器的研究势在必行。

本论文讨论基于FPGA的FIR数字滤波器设计，针对该毕业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数字滤波器需要的特点，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数字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：数字滤波器Matlab 可编程逻辑元件模块化算法1绪论1.1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。

基于fpga的滤波器设计与实现基于FPGA的滤波器设计与实现一、引言滤波器是信号处理中常用的工具，用于去除信号中的噪声或不需要的频率成分。

在数字信号处理中，滤波器可以通过软件算法实现，但随着现代电子技术的发展，使用基于FPGA的滤波器可以实现更高效、实时的信号处理。

本文将介绍基于FPGA的滤波器设计与实现的方法和步骤。

二、FPGA的基本原理FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，由大量的逻辑门、存储单元和可编程连接组成。

FPGA的特点是可重构性强，可以根据需要编程实现各种逻辑功能。

在数字信号处理中，可以将滤波器的算法实现在FPGA中，利用其并行处理的能力来提高处理速度和效率。

三、滤波器的基本原理滤波器可以根据其频率响应的特点分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

滤波器的设计目标是在保留需要的信号成分的同时，去除不需要的噪声或频率成分。

常用的滤波器设计方法有FIR滤波器和IIR滤波器。

四、基于FPGA的滤波器设计步骤1. 确定滤波器的类型和设计要求：根据信号处理的需求，确定滤波器的类型（低通、高通等）和性能指标（截止频率、通带衰减等）。

2. 确定滤波器的结构：选择合适的滤波器结构，如直接形式、级联形式等。

3. 设计滤波器的传递函数：根据滤波器的类型和设计要求，设计出满足要求的传递函数。

4. 将传递函数转化为差分方程：根据所选滤波器结构，将传递函数转化为差分方程。

5. 实现差分方程的计算：将差分方程转化为FPGA可以计算的形式，使用硬件描述语言（如Verilog、VHDL）编写计算模块。

6. 将计算模块综合到FPGA中：使用相应的工具将计算模块综合到FPGA中，生成比特流文件。

7. 下载比特流文件到FPGA：将生成的比特流文件下载到FPGA中，使其开始工作。

8. 测试和优化：对设计的滤波器进行测试，并根据测试结果进行优化，以满足设计要求。

在图像处理、语音识别等数字信号处理中，数字滤波器占有重要的地位，其性能对系统有直接的影响。

随着系统在宽带、高速、实时信号处理上要求的提高，对滤波器的处理速度、性能等也提出更高的要求。

目前数字滤波器的硬件实现方法通常采用专用DSP芯片或FPGA，DSP特有的一些硬件结构和特性使其非常适合作数字滤波电路，但由于其软件算法在执行时的串行性，限制了它在高速和实时系统中的应。

FPGA最明显的优势在于其实现数字信号处理算法的并行性，可以显著提高滤波器的数据吞吐率，随着FPGA技术的不断发展，现在的FPGA不仅包含查找表、寄存器、多路复用器、分布式块存储器，而且还嵌入专用的快速加法器、乘法器和输入/输出设备，因而成为高性能数字信号处理的理想器件。

而在FPGA 中，数字滤波器不同的实现方法所消耗的FPGA资源是不同的，且对滤波器的性能影响也有较大差异。

基于此，本文从FIR滤波器的系数考虑，采用CSD编码，对FIR数字滤波器进行优化设计。

1 FIR滤波器的基本原理一个L阶的FIR数字滤波器的基本系统函数见式(1)：式中：h(n)表示滤波器的系数;x(i)表示带有时间延迟的输入序列，此表达式对应的直接型实现结构可用图1来表示。

可以看出，FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成的。

传给每个乘法器的操作数就是一个FIR系数。

对每次采样x(n)要进行N次连续的乘法和(N-1)次加法操作，因实际中滤波器的阶数都很高，实现高数据吞吐率就需要很多的硬件乘法器，硬件实现时将占用大量的资源，同时也会因此影响滤波器的速度和性能。

为了解决这个问题，人们从多个角度寻求优化方法。

从数字滤波器表达式看，对它的优化操作，实际最终转换成两类改进。

一类是针对输入xi的DA操作的改进;另一类是针对系数hi编码的操作。

2 DA算法分布式算法(Distributed Arithmetic，DA)是为了解决乘法资源问题而提出的经典优化算法这种算法结构，可以有效地将乘法运算转换成基于查找表LUT(Look Up Table)的加法运算，利用查表方法快速得到部分积。

基于FPGA的数字滤波器的设计数字信号系统在数字电子电路等许多领域中的应用十分广泛，设计FIR滤波器时虽然需要的阶数较高，成本高，但它具有很好的线性相位特性，稳定性好，而且信号延迟可以容易调节。

文章以FIR数字滤波器的原理结构为基础，先对FIR数字滤波器进行系数设置，进一步借助Quartus II，将整个FIR数字滤波器分为：寄存器、加法器、减法器、乘法器四个模块。

在对各个模块进行仿真得出的结果符合設计要求的前提下，再对FIR数字滤波器的整体电路进行仿真。

标签：FIR数字滤波器；现场可编程门阵列（FPGA）；Quartus II；硬件描述语言（VHDL）1 概述数字滤波器具有很好的幅度和线性相位特性，在幅度和线性上对信号处理有严格的要求，因此数字滤波器可以做到模拟滤波器所无法克服的温度漂移、电压漂移和噪声等问题[1]，利用数字滤波器处理信号时就能做得更完美。

比如可以降低信号的噪声、提高信噪比以及可以对信号得频谱进行分析等。

硬件实现的设计方法有以下三种：（1）使用单片通用数字滤波器集成电路实现（2）采用DSP 器件实现（3）采用可编程逻辑器件（如DSP、ASIC、FPGA 等）实现。

DSP 因为要按顺序依次执行所涉及的各个部分，而降低它的设计速度；用ASIC 方法设计时需要的成本又较高；基于FPGA的设计能较好地避免DSP和ASIC设计的缺点；并且利用FPGA设计DSP 系统时，同时具备DSP 芯片的灵活性和实时性，此外，FPGA 在许多数字信号处理领域中获得了成功的应用[2]。

所以用FPGA 实现数字滤波是一个较好的选择。

利用硬件描述语言（VHDL）采用自顶向下的数字系统设计方法，分别给出滤波器的各模块结构，并对各模块扮演的功能以及数字滤波器的关键部分进行了描述。

最后在Altera 公司推出的QuartusII8.0软件平台上，利用Cyclone系列器件对设计进行综合和仿真，并得出相应的结果。

2 FIR数字滤波器的原理结构数字滤波器主要是完成数字信号滤波处理的功能，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统[3]。