【文章內(nèi)容簡介】 和高并行度結(jié)構(gòu)的 FIR 濾波器的實現(xiàn)，相對于串行運算主導(dǎo)的通用 DSP 芯片來說，并行性和可擴 2 展性都更好。由于在性能、成本、靈活性和功耗等方面的優(yōu)勢 ,基于 FPGA 的數(shù)字信號處理器已廣泛應(yīng)用于圖像、視頻和無線通信領(lǐng)域。 信號處理 技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展 現(xiàn)狀 數(shù)字信號處理可以采用兩種方法實現(xiàn)：軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)。 軟件實現(xiàn)是在通用計算機上執(zhí)行數(shù)字信號處理程序。這種方法靈活，但實現(xiàn)方法較慢，一般不能實時處理，主要用于教學(xué)和科研。國內(nèi)外的研究機構(gòu)、公司己 經(jīng)推出了不同語言的信號處理軟件包。 硬件主要采用 MCU(單片機 )、 DSP(數(shù)字信號處理器 )和 ASIC(專用集成電路 )來實現(xiàn)．其中，單片機速度較慢； ASIC 雖然性能良好。但通常是為專門限定的某一或某幾個特定功能而漫計，靈活性差；軟件編程的通用數(shù)字信號處理 Digital Signal Processor)芯片 (如TMS320CXX)是目前應(yīng)用較廣的一種方法。 DSP 處理器實質(zhì)上是一種適用于數(shù)字信號處理的單片微處理器，其主要特點是靈活性大，適應(yīng)性強，具有可編程功能，且處理速度較高。 我國在 DSP 技術(shù)起步較早，產(chǎn)品的 研究開發(fā)成績斐然，基本上與國外同步發(fā)展，而在 FPGA(Field Programmable Gate Array)方面起步較晚。全國有 100 來所高等院校從事DSPamp。FPGA 的教學(xué)和科研，除了一部分 DSP 芯片需要從國外進口外，在信號處理理論和算法方面。與國外處于同等水平．而在 FPGA 信號處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進展。 FPGA 是一種將門陣列的通用結(jié)構(gòu)與 PLD 的現(xiàn)場可編程特性結(jié)合于一體的新型器件，具有集成度高、通用性好、設(shè)計靈活、產(chǎn)品上市快捷等多方面的優(yōu)點．鑒于 FPGA 是特定用途的集成電路，因此 FPGA 通常被 認為是一種可編程的專用集成電路。 FPGA 最早由美國 Xilinx公司于 1985 年推出，其典型產(chǎn)品如 XC4000 和 XC5000 系列均采用 CMOS SRAM工藝制造，可重復(fù)編程，并能實現(xiàn)芯片功能的動態(tài)重構(gòu)。 FPGA 在問世的前十年里，其單片可用門數(shù)以年平均 42％的速率增長，現(xiàn)己超過 100 萬門。正如 DSP 芯片在 20 年前出現(xiàn)時的情形一樣，如今 FPGA 正處于革命性的數(shù)字信號處理技術(shù)的前沿。過去，前端的數(shù)字信號處理算法如 FFT，都是利用定制 ASIC 或者 DSP 芯片構(gòu)建的，但現(xiàn)在大多數(shù)可以用FPGA 所替代。現(xiàn)在的 FPGA 不僅提 供了上百萬門的可編程邏輯單元，還專門為實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法提供了陣列乘法器、片內(nèi)雙口 RAM 以及應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的硬核 PowerPC處理單元。 FPGA 與 DSP 芯片相比，最明顯的優(yōu)勢在于其實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的并行性。 DSP芯片一般只有幾個算術(shù)邏輯單元 （ ALU)和乘法單元，實現(xiàn)一個數(shù)字信號處理算法一般只能時分復(fù)用址刖和乘法單元。這種按照時間順序執(zhí)行的實現(xiàn)方式大大限制了數(shù)據(jù)的吞吐量。而 FPGA 具有大量的可編程邏輯單元，豐富的布線資源和靈活的結(jié)構(gòu)，支持任何層次的并行處理，可以在性能與設(shè)計規(guī)模之間取得最佳的平衡。 FPGA 在實現(xiàn)有些數(shù)字信號處理算法的性能上高于業(yè)界最快的 DSP 芯片。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高速超大規(guī)模的現(xiàn)場可編程門陣列的出現(xiàn)，采用硬件描述語言HDL的 FPGA具有更為靈活的可編程邏輯特性。目前，已經(jīng)生產(chǎn)出集成度高達上千萬門片的FPGA，其內(nèi)部時鐘速度可達數(shù) 百 兆，功耗低、芯片價格低、開發(fā)成本低、可 在 線編 程 、便于 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計等優(yōu)點，使其正處 于 數(shù)字 信號 處理技術(shù)領(lǐng)域革命性的前沿。是當前 電子工程師廣泛使用的一種 芯片， 本論文 正 是利 用 FPGA的優(yōu)越性，研究基 于 FPGA的 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計。 本文主要研究內(nèi)容及 工作安排 本文首先對 FPGA 的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡單的介紹，又闡述了關(guān)于數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展前景。 緊接著對數(shù)字濾波器原理進行了分析，學(xué)習和研究了 FIR 數(shù)字濾波器的性能指標和 3 設(shè)計方法，對不同的設(shè)計方案進行了分析比較。最后采用了在 ise 開發(fā)環(huán)境下用硬件描述語言對濾波器進行了設(shè)計與仿真，基本完成低通、帶通、高通 FIR 濾波器的設(shè)計。 本文共分五章，具體安排如下： 第一章緒論。介紹了論文研究的背景及意義、數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法、 FIR 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)。 第二章 FPGA 技術(shù)簡介。介紹了 FPGA 設(shè)計流程和設(shè)計原則。 第三 章 FIR 數(shù)字濾波器的算法研究。介紹了線性相位 FIR 數(shù)字濾波器的傳統(tǒng) 設(shè)計方法和 FPGA 設(shè)計方法。 第四章多速率濾波器。探討了 FPGA 技術(shù)在多速率濾波器設(shè)計中的應(yīng)用， 主要是理論方面。 第五章設(shè)計仿真及驗證。結(jié)合具體例程，對 FIR 濾波器的 FPGA 實現(xiàn)進行 了硬件語言實現(xiàn)，并仿真通過。 結(jié)束與展望?？偨Y(jié)了全文的主要工作，對下一步的研究進行了展望。 4 2FIR 數(shù)字濾波器的介紹及設(shè)計方法 .1 數(shù)字濾波器設(shè)計概述 濾波原理 濾波器，顧名思義，就是對輸入信號起到濾波的作用的系統(tǒng)。 圖 線性移不變系統(tǒng) 這里的“波”指的是一定波長或頻率的信號，因此， 所謂濾波，通常是指通過某種變換或運算，用以改變輸入信號中所含頻率分量的相對比例，以達到 將某些頻率成分的信號濾除而保留下另一些頻率成分的信號 的目的 。 若濾波器的輸入、輸出都是離散的，則系統(tǒng)（濾波器）的沖激響應(yīng)也是離散的，這樣的濾波器器就稱之為數(shù)字濾波器 （ digital filter）。 一 個輸入序列 x(n)，通過一個單位 沖 激 響應(yīng)為 h(n)的線性時不變系統(tǒng)后，其輸出響應(yīng)y(n)為 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ny n x n h n h m x n m?? ? ?? ? ? ?? （ ） 將上式兩邊經(jīng)過傅里葉變換，可得 ( ) ( ) ( )Y j X j H j? ? ?? （ ） 式中， Y(jω )、 X(jω )分別為輸出序列和輸入序列的頻譜函數(shù)， H(jω )是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。 可以看出，輸入序列的頻譜 X(jω )經(jīng)過濾波后，變?yōu)?X(jω )H(jω )。如果 |H(jω )|的值在某些頻率上是比較小的，則輸 入信號中的這些頻率分量在輸出信號中將被抑制掉。因此，只要按照輸入信號頻譜的特點和處理信號的目的，適當選擇 H(jω )，使得濾波后的 X(jω )H(jω )符合人們的要求，這就是數(shù)字濾波器的濾波原理。 如圖 所示 ，具有圖 (a)的頻率成分的信號通過具有圖 (b)的幅頻響應(yīng)的系統(tǒng)（濾波器）后，輸出信號就只有 ||c??? 的頻率成分，而不再含有 ||c??? 的頻率成分。 0 ω c 2π |X(jω )| |H(jω )| 0 ω c 2π 0 ω c 2π |Y(jω )| 濾波器 5 （ a）輸入信號頻譜 （ b）系統(tǒng)（濾波器）的幅頻響應(yīng) （ c）輸出信號的頻譜 圖 濾波器濾波示意圖 數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號實現(xiàn)濾波的線性時不變系統(tǒng)。它將輸入的數(shù)字序列通過特定運算轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅臄?shù)字序列 。 因此， 數(shù)字濾波器本質(zhì)上是一臺完成特定運算的數(shù)字計算機。 數(shù)字濾波器通常采用有限精度算法，它可以按照某種算法編寫軟件，在計算機或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理（ DSP）芯片上實現(xiàn)，也可以按照算法選用硬件實現(xiàn)。 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的重要基礎(chǔ)， 在對信號的過濾、檢測與參數(shù)的估計等處理中 , 數(shù)字濾波器是使用最廣泛的線性系統(tǒng)。 與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有精度高、穩(wěn)定性好、靈活性大、體積小且沒有苛刻的匹配要求等優(yōu)點。 隨著計算機、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字濾 波器的應(yīng)用愈加廣泛。 濾波器的分類 與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器按頻率特性也有四種，即 低通