FPGA-VHDL硬件描述语言基础笫二章 滤波器

目录1绪论 (1) (1) (1) (1) (1)2 FIR数字滤波器的设计方法 (4) (4) (4)FIR数字滤波器的基础 (4) (6)FIR数字滤波器的理论计算方式与参数转换思想: (7)Matlab直接FDAtool设计方式解析 (12)FDAtool设计模板及设计结果图 (15) (15)FPGA 可编程逻辑元件介绍 (15)QuartusⅡ及Verilog HDL介绍 (17)（11阶FIR数字滤波器） (18) (19)3滤波器仿真滤波 (27) (27) (30)仿真总结 (32)4 总结与展望 (32)设计成果总结 (32)设计心得 (32)参考文献 (33)致谢 (33)第一章绪论随着各种精密计算和快速计算的发展，现在的通信对信号处理的实时性、快速性的要求很高。

然而，以前的模拟滤波器克服不了电压漂移、温度漂移和噪声等问题，同时，也带来了许多误差和不稳定因素。

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，因此解决了模拟滤波器无法解决的问题。

FPGA元器件在高速并行处理和数据传输中有独特优势，FPGA正在前端信号处理中越来越多地代替ASIC 和DSP。

我们需要的就是这种设计周期短，功能密度高，重组时间短的元器件。

本文在FPGA元器件的基础上，实现现代FIR数字滤波器功能。

并且研究多种快速的FIR数字滤波器的理论设计思想和程序设计方法。

1985年，XilinX公司生产出了第一块FPGA元器件，由于它有着集成度高、方便易用、开发和上市周期短的绝对优势，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、片内储存器、逻辑单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT 、FIR 、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。

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vhdl语言的fir数字滤波器的实现
fir数字滤波器基于VHDL语言的实现
【一、简介】
fir数字滤波器作为一种滤波仪器，是研究信号处理学的重要部分，它可以实现各种信号处理任务，有效地抑制低阶噪声。

VHDL语言（VHSIC）是一种可以把硬件和软件设计结合起来的高级硬件设计语言，它可以用来实现fir数字滤波器。

【二、原理】
fir数字滤波器的基本原理是将多个参数的瞬时信号和阶数o滤波器中的常数求和，进而分析频谱比特宽度、低频传输函数范围、相频率的响应曲线等信号的行为特性，这就是fir数字滤波器的原理。

【三、实现过程】
1、建立信号和实体；
2、编写fir滤波器模型，包括滤波器参数、内存、寄存器、对数器、积分环、上限和下限以及双精度算术运算模块；
3、编写处理系统，它将信号采样和运算，以及信号反射输出；
4、编写测试程序，验证fir滤波器模型的正确性；
5、最后，实现VHDL优化，编译程序，生成可用的可下载的实际
【四、结论】
通过对VHDL语言的应用，我们可以实现fir数字滤波器，有效地抑制低阶噪声，让结果更加精确准确。

本文介绍了基于VHDL语言实现fir 数字滤波器的相关实现过程，为设计信号处理系统提供更加可靠的技术支撑。

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Vhdl的数字滤波器设计与实现数字滤波器在数字信号处理中扮演着至关重要的角色，它能够有效地去除信号中的噪音和干扰，提高信号的质量和可靠性。

本文旨在通过使用VHDL（VHSIC Hardware Description Language）这一硬件描述语言，设计和实现一种数字滤波器，以实现信号处理的目的。

数字滤波器主要有两种类型，即有限脉冲响应（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的性能，而IIR滤波器则具有反馈结构和更高的性能效率。

本文将以FIR滤波器为研究对象，探讨其设计和实现过程。

在数字滤波器设计中，滤波器的传递函数是一个至关重要的参数。

传递函数描述了滤波器对不同频率信号的响应特性，通过合理选择传递函数的系数，可以实现对信号的滤波效果。

本文将选取一种适当的传递函数，进行分析和优化，以实现数字滤波器对信号的有效处理。

除了传递函数外，数字滤波器的设计还需要考虑滤波器的结构和实现方式。

在本文中，我们将使用VHDL这一硬件描述语言，对数字滤波器进行建模和仿真，实现数字滤波器的功能。

VHDL是一种用于描述数字系统的硬件描述语言，通过VHDL描述数字滤波器的功能和结构，可以方便地进行验证和调试。

数字滤波器的设计过程中，滤波器的性能评估和参数优化也是至关重要的一步。

在本文中，我们将通过MATLAB等工具进行性能评估和仿真分析，对设计的数字滤波器进行性能评估，为进一步的参数优化提供参考。

通过对滤波器的性能进行优化，可以提高滤波器的滤波效果和性能指标。

在实际的数字滤波器设计和实现过程中，还需要考虑到硬件资源的限制和实现的复杂性。

在本文中，我们将通过FPGA（Field-Programmable Gate Array）这一可编程逻辑器件进行数字滤波器的硬件实现，探讨数字滤波器在实际应用中的性能和实现难点。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，本文旨在通过VHDL这一硬件描述语言，设计和实现一种数字滤波器，以实现对信号的有效处理和优化。

基于Vhdl的数字滤波器设计与实现1. 引言数字滤波器是数字信号处理中常用的一种技术，用于去除信号中的噪声、滤波和频率选择等应用。

本文将基于VHDL语言进行数字滤波器的设计与实现，通过详细介绍设计步骤和实现方法，探讨数字滤波器在信号处理中的重要性和应用。

2. 数字滤波器概述2.1 数字滤波器基本原理数字滤波器是通过对信号进行采样、离散化和处理来实现对频率特性进行调整的装置。

它可以将输入信号分为不同频率分量，并选择性地增强或抑制特定频率范围内的信号。

2.2 数字滤波器分类根据不同的设计方法和特性，数字滤波器可以分为FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）两种类型。

FIR是一种线性相位系统，它具有稳定性、线性相位特性以及较好的抗混叠能力；而IIR则具有较高的阶数、更好地逼近能力以及更小的计算复杂度。

3. VHDL语言在数字滤波器设计与实现中的应用3.1 VHDL语言概述VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，广泛应用于数字电路设计和硬件系统描述。

它提供了一种结构化的设计方法，可以方便地描述数字滤波器的结构和功能。

3.2 VHDL在数字滤波器设计中的优势VHDL语言具有高度的可重用性、可维护性和可扩展性，可以方便地进行模块化设计和系统级设计。

同时，VHDL还提供了丰富的模拟功能，可以进行仿真验证和调试。

4. 数字滤波器设计方法4.1 数字滤波器需求分析在进行数字滤波器设计之前，首先需要明确应用场景、滤波需求以及系统性能指标。

根据信号特点、频率范围以及抗噪能力等因素，选择合适的滤波器类型。

4.2 数字滤波器结构选择根据需求分析结果和具体应用场景，在FIR和IIR两种类型中选择合适的结构。

FIR常用于需要线性相位特性、抗混叠能力较强以及较简单实现等场景；而IIR则适合于需要更高阶数、更好逼近能力以及更小计算复杂度的场景。

4.3 数字滤波器设计流程数字滤波器设计流程包括滤波器结构设计、滤波器参数计算、系统级仿真验证和实际实现等步骤。

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。

《计算机组成原理》课程设计报告基于VHDL的FIR滤波器设计摘要：当今电子技术的发展可谓是与时俱进，电子产品的更新换代更是日新月异。

因而电子设计也由传统的手工设计过程向先进的自动化设计发展（即从CAD到EDA及ESDA: Electronic System DesignAutomation）。

熟悉并掌握现代设计工具，就成为电子信息设计人员必备的技术。

数字滤波作为数字信号处理技术的重要组成部分，广泛应用于诸如信号分离、恢复、整形等多种场合中，本文讨论的FIR滤波器因其具有严格的线性相位特性而得到广泛的应用。

本设计用硬件语言VHDL来实现FIR数字滤波器功能。

首先介绍VHDL语言的发展和由来、基本结构、规定、优点。

接着简单介绍硬件语言的应用平台MAX+PLUSII软件，FIR 滤波器的基本理论，然后通过软硬件结合的方法阐述了滤波器结构化的设计思想和大体的设计流程，最后进入本设计的核心设计部分，用VHDL语言设计FIR滤波器电路，着重对有限长单位冲激响应（FIR）滤波器设计过程进行了详尽的介绍。

设计参数可调的FIR低通滤波器，以EP1K30QC208-2为核心，包括A/D转换电路，数码显示电路，以试验箱提供的模拟信号为输入进行了实际滤波效果的测试。

实验系统的测试表明，与传统的数字滤波器相比较具有更好的实时性，准确性，灵活性和实用性。

关键词：VHDL；FIR滤波器；EDA；MAX+PLUSII软件；AbstractNow, you can say that the electronic technology is developing with a very high speed. And the electronic products renewal speed it may be said changes with each new day, so electronic design has been changing from the traditional manual design to the advanced automated design (from CAD to EDA and ESDA: Electronic System Design Automation). Thus is familiar with and grasps these modern design tools, has become the electronic information to design a personnel necessary technology. The digital filters is an important part of digital signal processing and used widely in variety of application such as a signal separation, restoration or shaping. FIR filter discussed in this paper is widely used because of its strict phase distortion sharp cut-off characteristic. This design emphasis point is realizes the FIR digital filter function with hardware language VHDL. The article first introduced the VHDL language’s development and their origin, their basic structures, the stipulation and the merit .And then that simple was introduce hardware description language application platform MAX+PLUSII software and the basic theory of the FIR filter. Then the method which unifies through the software and hardware elaborated the filter structure design thought and the roughly design flow. After carries on the simple explanation to the programmable logical component . Finally goes to the core design part, designing the FIR filter circuit with VHDL language. Introduce the process of FIR digital filter in details. Designed a FIR low pass filter that could adjust the parameters: the main IC is EP1K30QC208-2 ,including A/D convert circuit and digital display circuit. Chamber to the analog signal input to the filtering effect of the actual test. The experiment prove that this system is real-time, veracity, agile and practicability comparing with the traditional filter.Keyword: VHDL language;FIR Digital Filter Design ;EDA; MAX+PLUSII software目录１引言 (1)1.1课题的背景、目的 (1)1.2课题设计环境 (2)2EDA与VHDL简介 (2)2.1EDA介绍 (2)2.2VHDL语言介绍 (5)3串口异步通信的帧格式和波特率........ 错误！未定义书签。