【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)的濾波器系數(shù)進(jìn)行量化，即用一個(gè)固定的字長(zhǎng)加以表示。量化過(guò)程中由于存在不同程度的量化誤差，由此會(huì)導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使濾波器的極點(diǎn)移到單位圓之外，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù)，量化的精度也相當(dāng)重要。 FDAtool設(shè)計(jì)模板及設(shè)計(jì)結(jié)果圖 這里把上面的濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的總體圖給出，如圖210圖210 FIR帶通濾波器總體設(shè)計(jì)參數(shù) 程序分析部分根據(jù)上述FIR低通數(shù)字濾波器的原理與濾波特性，我們?cè)谏厦娴能浖?shí)踐中已經(jīng)掌握了設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法并且成功的使用Matlab/Simulink進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。通過(guò)以上的過(guò)程我們可以導(dǎo)出一定性能的FIR濾波器頻率響應(yīng)與抽頭系數(shù)，然后用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)和QUARTUSⅡ仿真FIR低通數(shù)字濾波器，實(shí)現(xiàn)用軟件描述硬件的動(dòng)作及功能，應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的功能和時(shí)序仿真。 FPGA 可編程邏輯元件介紹EDA是Electronic Design Automation的縮寫，意為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，即利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)為先導(dǎo)，匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)?、邏輯學(xué)、微電子工藝與結(jié)構(gòu)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科最新成果的先進(jìn)技術(shù)。它與電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，吸收了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的大多數(shù)最新研究成果，以高性能的計(jì)算機(jī)作為工作工具，在EDA軟件平臺(tái)土，根據(jù)硬件描述語(yǔ)言HDL完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合及優(yōu)化、布線、仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作?？删幊踢壿嬈鱌LD(Programmable Logic Devices)是ASIC(Application Specific Integrated Circuits的一個(gè)重要分支。ASIC按制造方法又可分為全定制(Full Custom)產(chǎn)品、半定制(semicustom)產(chǎn)品和可編程邏輯器件(PLD)。前兩種ASIC的設(shè)計(jì)和制造都離不開器件生產(chǎn)廠家，用戶主動(dòng)性較差。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路芯片，并盡可能縮短設(shè)計(jì)周期，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，在使用中也能比較方便的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改?？删幊踢壿嬈骷褪菫闈M足用戶的這一需求應(yīng)運(yùn)而生的。使用FPGA器件設(shè)計(jì)數(shù)字電路，不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，而且可以降低整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本，增加系統(tǒng)的可靠性。它們無(wú)需花費(fèi)傳統(tǒng)意義下制造集成電路所需大量時(shí)間和精力，避免了投資風(fēng)險(xiǎn)，成為電子器件行業(yè)中發(fā)展最快的一族。使用FPGA器件設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)電路的主要優(yōu)點(diǎn)如下:使用FPGA器件，可不受標(biāo)準(zhǔn)系列器件在邏輯功能上的限制。而且修改邏輯可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用過(guò)程的任一階段中進(jìn)行，并且只須通過(guò)對(duì)所用的FPGA器件進(jìn)行重新編程即可完成，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性。功能密集度是指在給定的空間能集成的邏輯功能數(shù)量?？删幊踢壿嬓酒瑑?nèi)的組件門數(shù)高，一片F(xiàn)PGA可代替幾片、幾十片乃至幾百片中小規(guī)模的數(shù)字集成電路芯片。用FPGA器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)用的芯片數(shù)量少，從而減少芯片的使用數(shù)目，減少印刷線路板面積和印刷線路板數(shù)目，最終導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模的全面縮減。減少芯片和印刷板數(shù)目，不僅能縮小系統(tǒng)規(guī)模，而且它還極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。具有較高集成度的系統(tǒng)比用許多低集成度的標(biāo)準(zhǔn)組件設(shè)計(jì)的相同系統(tǒng)具有高得多的可靠性。使用FPGA器件減少了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的芯片數(shù)目，在印刷線路板上的引線以及焊點(diǎn)數(shù)量也隨之減少，所以系統(tǒng)的可靠性得以提高?；贔PGA器件的可編程性和靈活性，用它來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)所需時(shí)間比傳統(tǒng)方法大為縮短。FPGA器件集成度高，使用時(shí)印刷線路板電路布局布線簡(jiǎn)單。同時(shí)，在樣機(jī)設(shè)計(jì)成功后，由于開發(fā)工具先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，對(duì)其進(jìn)行邏輯修改也十分簡(jiǎn)便迅速。因此，使用FPGA器件可大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。FPGA/CPLD器件的工作速度快，一般可以達(dá)到幾百兆赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DPS器件。同時(shí)，使用FPGA器件后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的電路級(jí)數(shù)又少，因而整個(gè)系統(tǒng)的工作速度會(huì)得到提高。很多FPGA器件都具有加密功能，在系統(tǒng)中廣泛的使用FPGA器件可以有效防止產(chǎn)品被他人非法仿制。使用FPGA器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果僅從器件本身的價(jià)格考慮，有時(shí)還看不出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)，但是影響系統(tǒng)成本的因素是多方面的，綜合考慮，使用FPGA的成本優(yōu)越性是很明顯的。首先，使用FPGA器件修改設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)周期縮短，使系統(tǒng)的研制開發(fā)費(fèi)用降低。其次，F(xiàn)PGA器件可使印刷線路板面積和需要的插件減少，從而使系統(tǒng)的制造費(fèi)用降低。再次，使用FPGA器件能使系統(tǒng)的可靠性提高，維修工作量減少，進(jìn)而使系統(tǒng)的維修服務(wù)費(fèi)用降低?？傊褂肍PGA器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)能節(jié)約成本。 QuartusⅡ及Verilog HDL介紹Quartus II 屬于Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。 　　Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計(jì)流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。 　　Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫(kù)，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加快了設(shè)計(jì)速度。對(duì)第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用熟悉的第三方EDA工具。 　　此外，Quartus II 通過(guò)和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺(tái)。 　　Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計(jì)軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對(duì)Maxplus II 的更新支持，Quartus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計(jì)流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。 　　Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境， 由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越來(lái)越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。Verilog HDL是目前應(yīng)用最為廣泛的硬件描述語(yǔ)言。Verilog HDL可以用來(lái)進(jìn)行各種層次的邏輯設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合，仿真驗(yàn)證和時(shí)序分析等。該語(yǔ)言適合算法級(jí)，寄存器級(jí)，邏輯級(jí)，門級(jí)和版圖級(jí)等各個(gè)層次的設(shè)計(jì)和描述。Verilog HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)是其工藝無(wú)關(guān)性。這使得我們?cè)诠δ茉O(shè)計(jì)，邏輯驗(yàn)證階段可以不必過(guò)多考慮門級(jí)及工藝實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，只需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求施加不同的約束條件，即可設(shè)計(jì)出實(shí)際電路。VerilogHDL是一種硬件描述語(yǔ)言(hardware description language)，為了制作數(shù)字電路而用來(lái)描述ASIC和FPGA的設(shè)計(jì)之用。VerilogHDL 的設(shè)計(jì)者想要以 C 編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種語(yǔ)言，可以使工程師比較容易學(xué)習(xí)。（11階FIR數(shù)字濾波器）FPGA實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，首先進(jìn)行指標(biāo)選定和Matlab軟件參數(shù)仿真，然后執(zhí)行基于Verilog方法的硬件實(shí)現(xiàn)中用移位方法代替了乘法運(yùn)算。表23設(shè)計(jì)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)指標(biāo)高低通截止頻率 階數(shù)據(jù)寬度低通(1對(duì)應(yīng)Fs/2) 118bits根據(jù)以上指標(biāo)，利用MATLAB中的FIR濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)命令fir1(10，)所設(shè)計(jì)濾波器的系數(shù)。表24 Matlab中導(dǎo)出的濾波器系數(shù)MATLAB軟件仿真的濾波器的抽頭系數(shù)及其幅度頻響特性如下圖211所示。圖211 11階FIR濾波器的抽頭系數(shù)和幅頻特性曲線可見(jiàn)抽頭系數(shù)是奇對(duì)稱的，即：， 。FIR濾波器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)抽頭的輸出分別乘以相應(yīng)加權(quán)的二進(jìn)制值，再將結(jié)果相加。同時(shí)，利用濾波器系數(shù)的及對(duì)稱的特性，對(duì)輸入信號(hào) 進(jìn)行如下等效： ， 。 VerilogHDL的實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)中，使用了移位代替乘法運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器乘加的方法。由于濾波器系數(shù)都是小數(shù)，所以我們先左移7位（即放大128倍），再用相應(yīng)的移位來(lái)近似這些系數(shù)，最后經(jīng)過(guò)乘加運(yùn)算得到結(jié)果，對(duì)這個(gè)結(jié)果再右移7位（即縮小128倍）即可得出正確的結(jié)果。 各個(gè)系數(shù)的移位情況如下：其中2表示左移1位，1表示不移位，其他依次類推：128h(0)=128==128h(1)=128==1++128h(2)=128==4+1+++128h(3)=128==8+41+128h(4)=128==16+128h(5)=128==128164++這樣，我們就可以把這個(gè)11階FIR數(shù)字濾波器的輸出用一下的算式得到表25 Verilog方法設(shè)計(jì)FIR的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖 212系數(shù)放大后求SUM計(jì)算得到結(jié)果后再將sum右移7位，即可得到正確結(jié)果。程序的功能仿真結(jié)果如下圖212所示。圖213功能仿真由上圖212可以看出，tap0到tap10是輸入x的依次延時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期，結(jié)果sum輸出相對(duì)于輸入x延遲了2個(gè)時(shí)鐘周期，y輸