【正文】 GA to realize filter design, the realization method on the first MATLAB / Simulink toolbox to establish filter model, then use SignalCompiler the Simulink model file ( the suffix is . MDL ) into the VHDL hardware description language file, finally using QuartusII plete filter simulation, configure, pile and download. Finally, examples of the FIR digital filter and IIR digital filter implementation process. Keywords: digital filter munication integrated circuit DSP FPGA 目 錄 1． 緒論 ..................................................... 1 研究背景 ..................................................... 1 研究現(xiàn)狀 ..................................................... 1 本課題研究?jī)?nèi)容方法 ............................................ 3 2． 相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介 .............................................. 5 數(shù)字濾波器概述 .............................................. 5 數(shù)字濾波器的定義 ........................................ 5 數(shù)字濾波器的分類 ........................................ 6 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器的比較 ............................... 6 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要求和方法 .............................. 8 設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介 ................................................ 9 軟件安裝問(wèn)題 ............................................... 10 3． 數(shù)字濾波器的總體設(shè)計(jì)方案 .................................. 12 FIR 和 IIR設(shè)計(jì)方法概述 ..................................... 12 濾波器設(shè)計(jì)方法比較 ......................................... 12 4． FIR 設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................. 16 FIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 16 16 階 FIR 濾波器 ............................................ 16 5． IIR 設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................. 27 IIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 27 使用 DSP BUILDER設(shè)計(jì) IIR 濾波器 .............................. 30 4階直接Ⅱ型 IIR 濾波器設(shè)計(jì) .............................. 30 4階級(jí)聯(lián)型 IIR 濾波器設(shè)計(jì) ................................ 32 6． 總結(jié) .................................................... 38 參考文獻(xiàn) .................................................... 40 致謝 ....................................................... 41 1 1． 緒論 研究背景 當(dāng)今，數(shù)字信號(hào)處理（ DSP： Digtal Signal Processing）技術(shù)正飛速發(fā)展，它 不但自成一門(mén)學(xué)科，更是以不同形式影響和滲透到其他學(xué)科：它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國(guó)防建設(shè)緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關(guān)注。目前濾波器的主要實(shí)現(xiàn)方法有三種，分別是：?jiǎn)纹ㄓ脭?shù)字濾波器集成電路、采用 DSP 器件和 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 )器件。因此，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是用數(shù)字序列表示的信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)一維離散時(shí)間序列；而圖像信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)二維離散空間序列。根據(jù)有用信號(hào)和噪音的不同特性，提取有用信號(hào)的過(guò)程成為濾波，實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。第五，語(yǔ)音編碼。高清晰度電視的普及指日可待，與之配套的視頻光盤(pán)技術(shù)已形成具有 巨大市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)；可視電話和會(huì)議電視產(chǎn)品 3 不斷更新?lián)Q代。數(shù)字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。 本文介紹的數(shù)字濾波器采用 FPGA 器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。采樣濾波器（ SF）由電阻、電容、電荷轉(zhuǎn)移器件、運(yùn)放等組成，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。正因?yàn)橛性摬煌c(diǎn)，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配以及實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能等優(yōu)點(diǎn)。理想濾波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗麄兊膯挝幻}沖響應(yīng)均是非因果且是無(wú)限長(zhǎng)的，我們只能按照某些準(zhǔn)則設(shè)計(jì)濾波器，使之盡可能逼近它，這些理想濾波器可作為逼近的 標(biāo)準(zhǔn)用。相反， FIR 濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于 FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性；對(duì)已同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)， FIR 濾波器所要求的階數(shù)可以比 IIR 濾波器高 5— 10 倍，結(jié)果，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來(lái)說(shuō)，則 IIR 濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。一般，F(xiàn)IR濾波器的設(shè)計(jì)只有計(jì)算機(jī)程序可循，因此對(duì)計(jì)算工具要求較高。一般對(duì) IIR 數(shù)字濾波器，通常只用幅頻響應(yīng)函數(shù) |H（ ejw） |來(lái)描述設(shè)計(jì)指標(biāo)，相頻特性一般不作要求。設(shè)計(jì)模型可直接向 VHDL 硬件描述語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，并自動(dòng)調(diào)用 QuartusⅡ 等 EDA 設(shè)計(jì)軟件，完成綜合、網(wǎng)表生成以及器件適配乃至FPGA 的配置下載，使得系統(tǒng)描述與硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融合，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代 電子技術(shù)自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。 Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。隔開(kāi)。 FIR 濾波器不能采用模擬濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法，經(jīng)常用的是窗函數(shù)法和頻率采樣法。 2） 專用的 DSP 器件 在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間， DSP 處理器 (如 TI 的 TMS320 系列 )是 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)核心器件的惟一選擇。 用戶可 對(duì) FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。使用 DSP 器件實(shí)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)單，但由于程序順序執(zhí)行，執(zhí)行速度必然不快。這些優(yōu)點(diǎn)使 FIR 濾波器 成為設(shè)計(jì)工程師的首選。 圖 建立新模型 圖 4 4階 FIR濾波器節(jié) 18 在 Simulink 中的仿真并生成 VHDL 代碼 完成模型設(shè)計(jì)之后，可以先在 Simulink 中對(duì)模型進(jìn)行仿真，可以通過(guò)Simulink 中的 示波器 模塊查看各個(gè)步驟的中間結(jié)果。 圖 fir4tap 子系統(tǒng)內(nèi)部原理圖 復(fù)制 4個(gè) fir4tap，并將它們銜接起來(lái)。 打開(kāi) MATLAB 的 FDATool, FDATool 界面如圖 所示。因?yàn)樵?mdl 轉(zhuǎn)換到 VHDL 的過(guò)程中，SignalCompiler 會(huì)自動(dòng)生成控制操作綜合器的 TCL腳本。 由 于 FIR濾波器所有的系數(shù) 均為 0， 不存在極點(diǎn) ， 不會(huì)造成系數(shù)的不穩(wěn)定 。 圖 直接 I型二階 IIR濾波器 此時(shí)，延時(shí)變量變成了 w(n)。通過(guò)“ Scope”模塊來(lái)觀察該直接Ⅱ型 IIR濾波器的沖激響應(yīng)。 4 階級(jí)聯(lián)型 IIR濾波器設(shè)計(jì) （ 1）建立模型 建立一個(gè) 4階的級(jí)聯(lián)型 IIR濾波器模型，該模型共有兩節(jié) 2階直接Ⅱ型 IIR濾波器構(gòu)成，如圖 。 先把 SOS矩陣和 G導(dǎo)出到 MATLAB的工作區(qū)（ Workspace），設(shè)置上面級(jí)聯(lián)型 IIR濾波器中的各個(gè)增益模塊的“ Gain Value（增益值）”。 圖 生成的 VHDL文件 綜合后的 TCL 如圖 所示。 在搜集資料的過(guò)程中，我在學(xué)校圖書(shū)館和網(wǎng)上查找各類相關(guān)資料，將這些寶貴的資料全部記 錄 下來(lái)，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多，這有利于論文的撰寫(xiě)。這次畢業(yè)論文的制作過(guò)程是我的一次再學(xué)習(xí)，再提高的過(guò)程。 數(shù)字信號(hào)處理教程 (第三版），清華大學(xué)出版社， 2020?；?MATLAB 與 QuartusⅡ的 FIR 濾波器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，電子設(shè)計(jì)工程， 2020。 [10]嚴(yán)三國(guó)。s opponents by delivering blows to their body and ultimately knocking them unconscious. It sanctions injury in the name of sport. That said, modern boxing appears almost genteel alongside its prizefighting predecessor in which bareknuckled pugilists fought to exhaustion, with fights often lasting several hours. A round ended only when one batant was floored。 their bodies are fitter — but their brains are no more resilient than in the past. Some nations, notably Sweden, have already banned boxing on medical grounds. So far the British government has been reluctant to follow the Swedish lead and since 1981 five private members39。s respite before placing his toe on a line scratched across the centre of the ring and resuming battle. Not until one fighter failed ‘to e up to scratch’ was a result declared: no wins on points in those days, just the objective test of an inability to continue. Early rounds were often hard slogging contests but the real physical damage came in the later stages when tiredness slowed defensive reflexes. Imagine too the state of even the winner39。 [11]Vinay 。數(shù)字信號(hào)處理（第二版），西安電子科技大學(xué)出版社， 2020?，F(xiàn)代 DSP 技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社， 2020。 在此期間，我掌握了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程 ,了解了 FIR和 IIR的原理 和特性 ,學(xué)習(xí)了 FIR和 IIR濾波器的 DSP實(shí)現(xiàn)原理 .熟悉設(shè)計(jì) FIR數(shù)字濾波器和 IIR數(shù)字濾波器的原理和方法。 資料查找完畢后，我開(kāi)始著手論文的寫(xiě)作。 6． 總結(jié) 2020年底，我開(kāi)始了我的畢業(yè)論文工作，時(shí)至今日，論文基本完成。 設(shè)置完增益值后更新一下模型， IIR濾波器模型的系數(shù)就全部設(shè)置完成了。 （ 2） IIR濾波器系數(shù)的計(jì)算 假設(shè) 4階 IIR濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： 采樣頻率 Fs為 50MHz；濾波器類型為高通（ HighPass）；濾波器 Fc為 5MHz；濾波器設(shè)計(jì)類型為 Butterworth。啟動(dòng)仿真。 29 前向通道： 反饋通道： W(n)= 將 式代 入 ： 從圖 5 可以看出 ,左右兩組延遲單元可以重疊 ,從而得到標(biāo)準(zhǔn)二階 IIR 濾波器的結(jié)構(gòu)圖 ,如圖 所