FPGA的FIR抽取滤波器设计

FPGA的FIR抽取滤波器设计用FPGA实现抽取滤波器比较复杂，主要是因为在FPGA中缺乏实现乘法运算的有效结构，现在，FPGA中集成了硬件乘法器，使FPGA在数字信号处理方面有了长足的进步。

本文介绍了一种采用Xilinx公司的XC2V1000实现FIR抽取滤波器的设计方法。

具体实现结构设计基于抽取滤波器的工作原理，本文采用XC2V1000实现了一个抽取率为2、具有线性相位的3阶FIR抽取滤波器，利用原理图和VHDL共同完成源文件设计。

图1是抽取滤波器的顶层原理图。

其中，clock是工作时钟，reset是复位信号，enable是输入数据有效信号，data_in(17:0)是输入数据，data_out(17:0)是输出数据，valid是输出数据有效信号。

adder18是加法器模块，mult18是乘法器模块，acc36是累加器模块，signal_36to18是数据截位器模块，fir_controller是控制器模块。

控制器定时向加法器、乘法器和累加器发送数据或控制信号，实现流水线操作。

图1 抽取滤波器顶层原理图控制器控制器是抽取滤波器的核心模块，有两个功能：一是接收输入数据，二是向其它模块发送数据和控制信号。

它根据加法器、乘法器和累加器的时序特性，有规律地向加法器发送抽头数据，向乘法器发送系数，向累加器发送控制信号，让加法器、乘法器和累加器在每个时钟周期都完成指定的任务，从而实现流水线操作。

控制器用VHDL语言描述，用寄存器存放抽头和系数。

加法器加法器的输入和输出都是18 bit，用VHDL语言描述实现。

它有两个工作时钟的延迟，在输入数据准备好的情况下，第一个时钟得出相加结果，第二个时钟把相加结果锁存输出。

乘法器乘法器为18 bit输入，36bit输出，用库元件MULT18X18S和36 bit锁存器实现。

MULT18X18S是XC2V1000自带的18×18bit硬件乘法器，单个时钟就可完成乘法运算。

基于FPGA 的FIR 滤波器设计一 、设计目的为了帮助学生深入理解和消化基本理论、进一步提高综合应用能力并且锻炼独立解决问题的能力，我们将《数字信号处理》、《集成电路原理与应用》和《《FPGA 系统设计与应用》几门课程融合在一起开设的FPGA 综合实验课程设计。

本次完成的是利用FPGA 来完成FIR 滤波器的设计、程序设计和实验调试任务。

二、设计要求（1）基本要求利用所学知识，采用VHDL 语言完成FIR 滤波器的设计仿真。

要求用VHDL 编程设计底层文件，顶层文件可任意（可用原理图方式或文本方式）；完成仿真文件（包括MATLAB 和QUARTUSII 两种仿真）并对其结果比较。

具体设计指标如下： （1）采样频率S F =80KHz ；（2）截止频率KHz F C 10=；（3）输入序列为10位（最高位为符号位）； （4）窗口类型为kaiser 窗，β=0.5 ； （5）滤波器长度为16 ； （6）输出结果保留10位。

（2）提高部分根据所学知识，设计出一个具有频率控制功能DDS ，要求输出频率分别为10KHz 和100KHz ，将输出的两路数字信号进行叠加，并通过所设计的FIR 滤波器进行滤波，将滤波输出的数字信号通过D/A 转换电路输出波形，并用示波器观察输出波形，并完成测试结果分析。

结构框图如图1-1所示。

图2-1 整体结构框图三、设计原理3.1 FIR 滤波器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。

3.2 线性FIR 滤波器原理FIR 滤波器响应（简称FIR ）系统的单位脉冲响应()h n 为有限长序列，系统函数()H z 在有限z 平面上不存在极点，其运算结构中不存在反馈支路，即没有环路。

基于FPGA的高速FIR数字滤波器设计的开题报告一、选题意义数字信号处理是一种关键技术，广泛应用于通信、雷达、音视频处理等领域。

而数字滤波器是数字信号处理的重要组成部分之一，用于移除信号中的噪声、加强特定频率成分等。

FIR数字滤波器是一种广泛应用的数字滤波器，它具有运算速度快、实现简单等特点。

FPGA作为一种可编程逻辑器件，具有可重构性、高速度、低功耗、高可靠性等优点，在数字信号处理领域得到了广泛应用。

本课题旨在利用FPGA高性能特点，设计开发一种基于FPGA的高速FIR数字滤波器，满足在特定应用场景下对信号的快速处理需求，具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、主要内容1. 对FIR数字滤波器的算法原理进行分析和设计，包括常见的窗函数设计、有限脉冲响应设计等，选择比较优的算法。

2. FPGA数字滤波器的硬件设计，包括数据的输入输出接口、滤波算法实现和时序控制器设计。

3. FPGA数字滤波器的仿真设计，包括基于MATLAB的算法仿真和基于ModelSim的硬件仿真等。

4. FPGA数字滤波器的实现与验证，包括采用相应工具对FPGA数字滤波器进行编译下载，将实验结果与仿真结果进行比较与分析。

5. 对设计的FPGA数字滤波器进行性能测试，包括运算速度、滤波效果等方面的测试，将其结果与已有的数字滤波器进行对比分析。

三、技术路线1. 确定常见的FIR数字滤波器设计算法，并选择较优的算法设计数字滤波器。

2. 设计FPGA数字滤波器的硬件结构，包括输入输出模块、滤波模块和时序控制模块等；并根据所选算法设计硬件逻辑。

3. 采用MATLAB进行设计算法的理论分析，从理论上验证算法的优越性。

4. 采用ModelSim进行硬件电路仿真，进行设计参数调整和错误修正，保证硬件逻辑的正确性和同步性。

5. 采用Quartus II进行编译下载，将设计的FPGA数字滤波器实现于FPGA芯片中，测试其性能。

四、研究难点1. 在设计算法时，需要充分了解各种滤波器设计算法的优缺点，并选择适合特定场景的算法。

FIR数字滤波器的设计与实现介绍在数字信号处理中，滤波器是一种常用的工具，用于改变信号的频率响应。

FIR （Finite Impulse Response）数字滤波器是一种非递归的滤波器，具有线性相位响应和有限脉冲响应。

本文将探讨FIR数字滤波器的设计与实现，包括滤波器的原理、设计方法和实际应用。

原理FIR数字滤波器通过对输入信号的加权平均来实现滤波效果。

其原理可以简单描述为以下步骤： 1. 输入信号经过一个延迟线组成的信号延迟器。

2. 延迟后的信号与一组权重系数进行相乘。

3. 将相乘的结果进行加和得到输出信号。

FIR滤波器的特点是通过改变权重系数来改变滤波器的频率响应。

不同的权重系数可以实现低通滤波、高通滤波、带通滤波等不同的滤波效果。

设计方法FIR滤波器的设计主要有以下几种方法：窗函数法窗函数法是一种常用简单而直观的设计方法。

该方法通过选择一个窗函数，并将其与理想滤波器的频率响应进行卷积，得到FIR滤波器的频率响应。

常用的窗函数包括矩形窗、汉宁窗、哈密顿窗等。

不同的窗函数具有不同的特性，在设计滤波器时需要根据要求来选择合适的窗函数。

频率抽样法频率抽样法是一种基于频率抽样定理的设计方法。

该方法首先将所需的频率响应通过插值得到一个连续的函数，然后对该函数进行逆傅里叶变换，得到离散的权重系数。

频率抽样法的优点是可以设计出具有较小幅频纹波的滤波器，但需要进行频率上和频率下的补偿处理。

最优化方法最优化方法是一种基于优化理论的设计方法。

该方法通过优化某个性能指标来得到最优的滤波器权重系数。

常用的最优化方法包括Least Mean Square（LMS）法、Least Square（LS）法、Parks-McClellan法等。

这些方法可以根据设计要求，如通带波纹、阻带衰减等来得到最优的滤波器设计。

实现与应用FIR数字滤波器的实现可以通过硬件和软件两种方式。

硬件实现在硬件实现中，可以利用专门的FPGA（Field-Programmable Gate Array）等数字集成电路来实现FIR滤波器。

目录摘要 (2)英文摘要 (3)1 引言 (3)1.1国内外研究现状 (4)1.2本论文的研究内容及主要工作 (6)2 FIR数字滤波器设计 (6)2.1数字滤波器基础 (6)2.1.1 数字滤波器简介 (6)2.1.2 FIR数字滤波器的结构 (7)2.2 FIR数字滤波器设计方法 (8)2.2.1 窗函数法 (8)2.2.2 频率采样法 (9)2.2.3 等波纹最佳逼近法 (11)2.2.4 三种设计方法的比较......................... 错误!未定义书签。

3 FPGA 设计优点以及分布式算法 (12)3.1 使用FPGA器件进行开发的优点 (13)3.2分布式算法 (14)3.2.1 分布式算法基础 (14)3.2.2 有符号的DA系统 (15)4 基于FPGA的FIR滤波器设计 (15)4.1基于M ATLAB的FIR数字低通滤波器抽头系数的提取 (16)4.1.1 滤波器的设计指标 (16)4.1.2 滤波器的具体设计方法 (16)4.1.3 参数提取与量化 (17)4.2FIR滤波器的FPGA实现 (19)4.2.1 模块划分 (19)4.2.2 FIR滤波器各模块的实现 (20)4.2.3 FIR滤波器的顶层设计 (30)4.3FIR滤波器的系统仿真验证 (32)4.4系统硬件 (36)4.4.1 系统框图 (36)4.4.2 部分芯片简介 (36)4.4.3 AD、DA电路原理图 (39)4.5测试波形及现场照片 (39)4.6数据误差分析 (40)结论 (41)参考文献 (41)附件 (42)基于FPGA的FIR滤波器的设计摘要：本文设计了一个基于FPGA的16阶FIR低通滤波器，使用分布式算法作为滤波器的硬件实现算法，并对其进行了详细的讨论。

针对分布式算法中LUT规模过大的缺点，采用多块查找表的方式减小硬件规模。

在设计中采用了自顶向下的层次化、模块化的设计思想，将整个滤波器划分为多个模块，利用VHDL语言的描述方法进行了各个功能模块的设计，最终完成了FIR数字滤波器的系统设计。

FIR滤波器设计与实现实验报告目录一、实验概述 (2)1. 实验目的 (3)2. 实验原理 (3)3. 实验设备与工具 (4)4. 实验内容与步骤 (6)5. 实验数据与结果分析 (7)二、FIR滤波器设计 (8)1. 滤波器设计基本概念 (9)2. 系数求解方法 (10)频谱采样法 (11)最小均方误差法 (14)3. 常用FIR滤波器类型 (15)线性相位FIR滤波器 (16)非线性相位FIR滤波器 (18)4. 设计实例与比较 (19)三、FIR滤波器实现 (20)1. 硬件实现基础 (21)2. 软件实现方法 (22)3. 实现过程中的关键问题与解决方案 (23)4. 滤波器性能评估指标 (25)四、实验结果与分析 (26)1. 实验数据记录与处理 (27)2. 滤波器性能测试与分析 (29)通带波动 (30)虚部衰减 (31)相位失真 (32)3. 与其他设计方案的对比与讨论 (33)五、总结与展望 (34)1. 实验成果总结 (35)2. 存在问题与不足 (36)3. 未来发展方向与改进措施 (37)一、实验概述本次实验的主要目标是设计并实现一个有限脉冲响应（Finite Impulse Response，简称FIR）滤波器。

FIR滤波器是数字信号处理中常用的一种滤波器，具有线性相位响应和易于设计的优点。

本次实验旨在通过实践加深我们对FIR滤波器设计和实现过程的理解，提升我们的实践能力和问题解决能力。

在实验过程中，我们将首先理解FIR滤波器的基本原理和特性，包括其工作原理、设计方法和性能指标。

我们将选择合适的实验工具和环境，例如MATLAB或Python等编程环境，进行FIR滤波器的设计。

我们还将关注滤波器的实现过程，包括代码编写、性能测试和结果分析等步骤。

通过这次实验，我们期望能够深入理解FIR滤波器的设计和实现过程，并能够将理论知识应用到实践中，提高我们的工程实践能力。

本次实验报告将按照“设计原理设计方法实现过程实验结果与分析”的逻辑结构进行组织，让读者能够清晰地了解我们实验的全过程，以及我们从中获得的收获和启示。