【正文】 系 統(tǒng)設計 方法、 設計過 程、乃至 設計觀 念。 縱觀 可 編 程 邏輯 器件的 發(fā) 展史 ， 它 在 結構 原理、集成 規(guī) 模、下 載 方式、 邏輯設計 手段等方 而的每一次 進 步都 為現(xiàn) 代 電 子 設計 技 術 的革命 與發(fā) 展提供了不 可或缺的強大 動 力。 今日 FPGA 技 術 不 再是 ASIC 技 術領 域的一 個 點 綴 和 補 充 ，而 躍為電 子 應 用 (包括通 訊技 術 、 計 算機 應 用、自 動 控制、 儀 器 儀 表、 ASIC 設計 )等 諸 多 領 域受 歡 迎的 實 用技 術 ， 成為數(shù) 字系 統(tǒng) 科 研實驗 、 樣 機 試 制、小批量 產 品即 時實現(xiàn) 的最佳途 徑 。 論 文 研 究的目的和主要 內 容 本 文 研 究的主要目的是 為彈載 毫米波探 測 系 統(tǒng)設計 出性能指 標優(yōu) 良的 濾 波 器，使其在復雜 的 戰(zhàn)場環(huán) 境中快速 過濾 掉無用信 號 及噪 聲 。 并 根據(jù)此目的 進 行 進 一步的 研 究及拓展。為 了確定使用的方法在 設計 FIR 濾 波器上是有效 并 且是 高效的，采用 查 找 表的 FIR 濾 波器 3 無 論 在速度上和所占用的 資 源上均 優(yōu) 于普通的 設計 方式 ， 因此可以確定采用 查 找 表 來設計FIR 濾 波器占有 優(yōu)勢 。 本文主要 內 容分 為 五部分 : 第 1 章 簡 要介 紹 背景、 選題 以及文章的 概 要 。 第 2 章 對 FIR 濾 波器的原理 ， 尤其是 線 性相位的 FIR 濾 波器 進 行了 詳細 的 說 明， 并 介紹 了用窗函 數(shù) 法 實現(xiàn) FIR 濾 波器的 方法 。 第 3 章介 紹 EDA 技 術 和可 編 程 邏輯 器件 的 聯(lián) 系 ； 第 4 章 FIR 濾 波器 用硬件 FPGA 實現(xiàn) 的 簡 要流程 ； 第 5 章對全文進行了總結并指出本設計的發(fā)展方向； 第 2 章 FIR 的原理及技 術 FIR 濾 波器的特點 數(shù) 字 濾 波器通常分 為 有限脈沖 響應 （ FIR）和無 線 脈沖 響應 （ IIR） 兩 大 類 。 FIR 濾 波器由有限 個 采 樣值組 成 ， 將 上述卷 積 的 數(shù) 量降低到每 個 采 樣時 刻 為 有限 個 ， 而 IIR 濾 波器需要 執(zhí) 行無限 數(shù) 量次卷 積 。 FIR 濾 波器相 對 于 IIR 濾 波器的 優(yōu) 點 與 不足如下： 優(yōu) 點： （ 1）具有 |嚴 格的 線 性相位又具有任意的幅度； （ 2） FIR 濾 波器的 單 位抽 樣響應 是有限 長 的 ， 因而 濾 波器性能 穩(wěn) 定； （ 3） FIR 濾 波器由于 單 位抽 樣響應 是有限 長 的 ， 因而可用快速傅里葉 變換 （ FFT）算法 來實現(xiàn)過濾 信 號 ， 可 大大提高 運 算效率。 不足： （ 1） FIR 系 統(tǒng) 的系 數(shù)長 度一般 會 比 IIR 系 統(tǒng) 大 ， 也就是 說設計 一 個 符合要求的 濾 波器 ， FIR 系 統(tǒng) 需要 較 多的乘法器 ， 當 以直接回旋 運 算 執(zhí) 行 時 期效率 較 差。 （ 2）此系 統(tǒng) 的 輸 出延 時時間長 。 由上面的比 較 可以看出 ， FIR 濾 波器 還 是存在缺點的 ， 但采用 FPGA 進 行 FIR 濾 波器的設計 ， 運 用 FPGA 中的算法 來 提高速度 ， 縮 短延 遲時間 ， 可以使 FIR 濾 波 器符合指 標 的要求。 隨 著 FPGA 的快速 發(fā) 展 ， FIR 的缺點 將 逐 漸 不成 為 其缺點。 FIR 濾 波器的基 礎 數(shù) 字 濾 波器（ DF）是 個 離散系 統(tǒng) ， 它 所 處 理的 對 象是用序列表示離散 信 號 或 數(shù) 字信號 。 DF的因果離散系 統(tǒng) 函 數(shù) 可表示成 。 H(z)= = 4 其常系 數(shù)線 性差分方程 為 ： Y(n)= x(nr) 可以看出， 數(shù) 字 濾 波器是把 輸 入和之前 輸 出的序列 經過 一定的 運 算 變換 成 輸 出的序列。大多 數(shù) 普通 數(shù) 字 濾 波器都是 LTI 濾 波器 ， 對 于 FIR 系 統(tǒng) ， 其系 統(tǒng) 函 數(shù)僅 有零點 ， 因此FIR 系 統(tǒng) 的差分方程可以表示 為 ： Y(n)= x(nr) 轉 移函 數(shù)為 ： H(z)= 由公式可知，系 統(tǒng) 的脈沖 響應 是因果序列 ， 因 為輸 出 僅與 即 時輸 入以及 過 去的 輸 入 數(shù)據(jù)有 關 ， 而 與過 去的 輸 出 數(shù) 據(jù) 沒 有直接 關 系，所以 FIR 濾 波器是因果的 ， 是物理可 實現(xiàn) 系統(tǒng) ， 因而他在 實際 中往往采用非 遞歸 （無反 饋 作用）形式的 結構實現(xiàn) 。另外此系 統(tǒng) 的脈沖響應 是 絕對 可加的 ， 所以 FIR 濾 波器 總 是 穩(wěn) 定的 。 FIR 濾 波器的基本 結構 FIR 濾 波器的 構 成形式主要有直接型、 級聯(lián) 型、 線 性相位 FIR 濾 波器的 結構 等。 直接型 結構 直接 FIR 模型的一 個變種稱為轉 置式 FIR 濾 波器， 級聯(lián) 型 如 將 分解 為 二 階 實 系 數(shù) 因子形式： H(z)= = 便可得二 階級聯(lián)結構 。 線 性相位 FIR 系 統(tǒng) 的 結構 能 夠 建立 線 性相位 頻 率 功能的 濾 波器，系 統(tǒng) 相位 線 性度的 標 準尺度就是“ 組 延 遲 ”，其定 義為 ： 5 完全理想的 線 性相位 濾 波器 對 于一定 頻 率范 圍 的 組 延 遲 是一 個 常 數(shù) ?？梢钥吹饺绻?濾波器是 對稱 或者反 對稱 的 ， 就可以 實現(xiàn)線 性相位。 線 性相位表示一 個 系 統(tǒng) 的相 頻 特性 與頻 率成正比 ， 由于不同 頻 率 傳輸 速度都一 樣 ， 所以信 號 通 過它產 生的 時間 延 遲 等于常 數(shù) K 所以不出 現(xiàn) 相位失 真 ， 對 一 個數(shù) 字系 統(tǒng)來說 ， 即 假 設 一 個 離散 時間 系 統(tǒng) 的幅 頻 特性等于 1， 則當 信 號 x（ n） 通 過該 系 統(tǒng) 后 ， 其 輸 出 y（ n） 的 頻 率特性 所以 Y（ n） = x(nk) ， 這樣輸 出 y（ n） 等于 輸 入 時間 上的唯一 ， 達 到無失 真輸 出目的。 可以 證 明 ， 線 性相位 條 件： h(n)=h(N1n)偶 對稱 h(n)=h(N1n)奇 對稱 線 性相位 FIR 濾 波器 結構 FIR 濾 波器的 設計 FIR 濾 波器 設計 方法是以直接逼近所需離散 時間 系 統(tǒng) 的 頻 率 響應為 基 礎 。 設計 方法包括窗函 數(shù) 法和最 優(yōu) 化方法（ 等同波 紋 法）。 窗函 數(shù) 法 任何 數(shù) 字 濾 波器的 頻 率 響應 H( ) 都是 W 的周期函 數(shù) ， 他的傅里葉展 開 式 為 ： = (n) 傅里葉系 數(shù) h(n) 實際 上是 數(shù) 字 濾 波器的沖 擊響應 ， 由于 h(n)可能是無 線長 序列且為 非因果 響應 ， 是物理不可 響應 的 ， 為 此 尋 找一 個 因果 h(n) 在相 應 的 誤 差準 則 下最逼近 6 。窗函 數(shù) 法 設計 的初衷是使 設計 的 濾 波器 頻 率特性 H( ) 頻 域 均方 誤 差最小意 義 下進 行逼近 ， 即 窗函 數(shù) 法就是被 稱為 窗函 數(shù) 的有限加 權 序列 來 修正 則 所需 h(n) 表示 為 ： h(n)= 當 nN1 及 n0 時 是有限序 以沖激 響應對稱 H(n)=h(N1n)(n=0，1， 2， …N1)時 低通 濾 波器 說 明。低通 濾 波器的 頻 率 響應 函 數(shù) H( ) 如下： H( )= ， 0 利用反傅里葉 變換 公式求出 對應 的沖激 響應 h(n) 為 ： 幾 種 窗函 數(shù) ： 設計 FIR 濾 波器常用的窗函 數(shù) 有：矩形窗函 數(shù) 、三角窗函 數(shù) 、 漢 寧窗函 數(shù) 、海明窗函數(shù) 、布 萊 克曼窗函 數(shù) 和 凱 塞窗函 數(shù) 。 窗函 數(shù)選擇 原 則 是： （ 1）只有 較 低 的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。 （ 2）旁瓣幅度下降速度要快，以利于增加阻 帶 衰 減 。 （ 3）主瓣 寬 度要窄，以 獲 得 較 陡的 過 度 帶 。 （ 4）等同 紋 波 設計 方法 。 窗函 數(shù) 存在某些缺陷。首先，在 設計 中不能 將邊緣頻 率（ ） 和（ ）精確的 給的 ； 設計 完成之后無 論 的到 說 明 值 都不能修改。其次，不能同 時標 定 紋 波因子（ ）和（ ）：在窗函 數(shù)設計 法上只能 設 定 。最后，近似 誤 差在 頻帶區(qū)間 上不是均 勻 分布的 ， 在靠近 頻帶邊緣誤 差越大 ， 遠 離 頻帶邊緣誤 差越小。 等同波 紋 FIR 濾 波器能解 決這個問題 ， 對 于 線 性相位 FIR 濾 波器 來說 有可能得到通 帶和阻 帶 上都是均 勻 的。 等同波 紋 法通常采用（ ParkMcClellam）迭代方法 來實現(xiàn) 的 ， 與 直接 頻 率法相比等同波 紋設計 法德有點在于通 頻帶 和抑制 帶 偏差可以分 別 制定 ， 且 實現(xiàn) 相同指 標 的 濾 波器 時 所用的 濾 波 器 階數(shù)較 少。 第 3 章 EDA 技 術 和可 編 程 邏輯 器件 電 子 設計 自 動 化 EDA 技 術 EDA 意思 為電 子 設計 自 動 化 ， 即利用 計 算機自 動 完成 電 子系 統(tǒng) 的 設計 。 EDA 是以 計 算機和微 電 子技 術為 先 導 ， 匯 集了 計 算機 圖 像 學 、拓撲、 邏輯學 、微 電 子工 藝與結構學 和 計算機 數(shù)學 等多 種計 算機 應 用 學 科最新成果的先 進 技 術 。 它與電 子技 術 、微 電 子技 術 的 發(fā) 展 7 密切相 關 ， 吸引了 計 算機 領 域的大多 數(shù) 最新 研 究成果 ， 以高性能的 計 算機作 為 工作工具 ，在 EDA 軟 件平臺上 ， 根據(jù)硬件描述 語 言 HDL 完成的 設計 文件 ， 自 動 的完成 邏輯 翻 譯 、化簡 、分割、 綜 合及 優(yōu) 化、布 線 仿 真 ， 直至 對 特定目 標 芯片的適配翻 譯 、 邏輯 映射和 編 程下載 等工作。 EDA 技 術 可分 為 三 個階 段 ： 七十年代 為 CAD 階 段 ， 這個階 段主要分 別研 制了一 個個單獨 的 軟 件工具 ， 主要有 電 路模板、 邏輯 模 擬 、版 圖編輯 、 PCB 布局布 線 等 八十年代 為 CAE 階 段。 這個階 段在集成 電 路 與電 子系 統(tǒng) 方法 學 ， 以及 設計 工具集成方面 獲 得 眾 多成果 ， 與 CAD 相比，除了 純 粹的 圖 像 繪 制功能外 ， 又增加了 電 路功能 設計 和 結構設計 ， 并 且通 過電氣連 接 網(wǎng)絡 表 將兩 者 結 合在一起 ， 實現(xiàn) 工程 設計 。 CAE 主要功能是原理 圖輸 入， 邏輯 仿 真 、 電 路分析、自 動 布局布 線 ， PCB 后分析等。 九十年代 為 EDA 階 段， 盡 管 CAD、 CAE 取得了巨大成功，但 并沒 有把人 從 繁重的 設計中 徹 底解 脫 出 來 。在整 個設計過 程中 ， 自 動 化和智能化程度不高 ， 各 種 EDA 軟 件界面千差萬 別 ， 學習難 度大 并 且互相不兼容 ， 直接影 響設計環(huán)節(jié) 的 銜 接。 對 于以上的不足 開 始追求貫 穿 真?zhèn)€設計 的自 動 化。出 現(xiàn) 了以高 級語 言描述、系 統(tǒng) 仿 真 和 綜 合技 術為 特征的第三代EDA 技 術 ， 大大提高了系 統(tǒng) 的 設計 效率。 可 編輯邏輯 器件 可 編 程 邏輯 器件 PLD 是 ASIC 的一 個 重要分支。 ASIC 按制造方法又可分 為 安全制 產 品、半定制 產 品和可 編 程 邏輯 器件（ PLD。前 兩種 ASIC 的 設計 和制造都 離不開 器件生 產廠 家 ， 用 戶 主 動 性差。 隨 著微 電 子技 術 的 發(fā) 展 ， 用 戶 都愿意自己 設計專 用集成電 路芯片 ， 并盡 可能 縮 短 設計 周期 ， 并 比 較 方便 對設計進 行修改?？?編 程 邏輯 器件就是 為滿 足用 戶 的 這 一要求而 產 生的。 8 可 編 程 邏輯 器件 簡 介 PLD 的 發(fā) 展已 經 有四十年 ， 已 經 形成 許 多 類 型的 產 品 ， 其 結構 、工 藝 、 集成速度和性能都在不 斷 提高和改 進 ， PLD 又可以分 為簡單 低密度 PLD 和 復雜 高密度 PLD。 可 編 程 陣 列 邏輯 器件 PAL 和通用 陣 列 邏輯 器件 GAL 都 屬 于 簡單 PLD， 結構簡單 ， 設計靈 活 ， 對開發(fā)軟 件要求低 ， 但 規(guī) 模小 ， 難 以 實現(xiàn)復雜 的 邏輯 功能。 隨 著技 術 的 發(fā) 展 ， 簡單PLD