【正文】 口的傳輸方向。 端口名是賦于每個(gè)外部引腳的名稱 ,名稱的含義要準(zhǔn)確 ,如 D開(kāi)頭的端口名表示數(shù)據(jù) ,A開(kāi)頭的端口名表示地址等。利用外部 通信通道，參數(shù)的類型說(shuō)明為設(shè)計(jì)實(shí)體提供信息。 第二章 VHDL 語(yǔ)言的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 11 類型說(shuō)明是實(shí)體說(shuō)明中的可選項(xiàng) ,放在端口說(shuō)明之前。 VHDL 基本結(jié)構(gòu)、詞匯元素和句法 基本結(jié)構(gòu) VHDL 語(yǔ)言的基本建模結(jié)構(gòu)包括：實(shí)體說(shuō)明，構(gòu)造體，配置，包集合和設(shè)計(jì)庫(kù)等。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)完成 后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外， VHDL 的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。最 初 是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 VHDL語(yǔ)言是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言?，F(xiàn)在， VHDL 和 Verilog 作為 IEEE 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，又得到眾多 EDA 公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。此后 VHDL 在電子設(shè)計(jì)領(lǐng) 域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言。 1987 年底， VHDL 被 IEEE 和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言。由于每一個(gè)基本節(jié)僅有兩個(gè)系數(shù) ka 和 k? ，所以，少用兩次乘法就可以實(shí)現(xiàn)這些基本節(jié)。 X ( n )Y ( n )b0b1b2bM 1bMZ 1Z 1Z 1Z 1a1a2aN 1aN 圖 17 轉(zhuǎn)置型 II 型結(jié)構(gòu) 一般地，無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）單位沖激響應(yīng) ??nh 是無(wú)限長(zhǎng)的； （ 2）系統(tǒng)函數(shù) ??zH 在有限 z 平面（ ???z0 ）上有極點(diǎn)存在； （ 3）結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。這種由轉(zhuǎn)置得到的類型稱為轉(zhuǎn)置型，利用轉(zhuǎn)置方法，可將上面討論的各種結(jié)構(gòu)加以轉(zhuǎn)置而得到各種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 為了便于實(shí)現(xiàn)，把具有共軛極點(diǎn)對(duì)的因子變換成二階實(shí)系數(shù)多項(xiàng)式，同樣也將兩個(gè)一 第一章 數(shù)字濾波器 8 階實(shí)極點(diǎn)變換成二階實(shí)系數(shù)多項(xiàng)式，若 NN? ，則有 ? ? ? ?? ?????? ?? ???????? 2 1N1k 2k21k11k1k00 zaza1zGzH ?? （ ） 可表示成 ? ? ? ?? ?????? ???? 21N1k k0zHGzH （ ） 式中 ? ? ?????? ? 21N 表示取 ? ?21N? 的整數(shù)部分。大多數(shù)情況下， IIR 濾波器皆滿足 NM? 的條件。 X （ n ）a1 1β1 1a2 1β2 1Z 1Z 1a1 2a2 2Z 1Z 1Z 1Z 1β1 2β2 2a1 3a2 3β1 3β2 3Y ( n ) 圖 15 六階 IIR 濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 并聯(lián)型 分解 ??zH 的另一種方法是用部分分式法將 ??zH 展開(kāi)，這樣，就得到了并聯(lián)型的 IIR濾波器結(jié)構(gòu) ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?????? ???????????????????NM0kkkN1kN1k1k1k1kk1kkN1kkkM0kkkzGzd1zd1zg1Bzc1Aza1zbzH1 1 （ ） 式中 21 N2NN ?? ，一般地，系數(shù) ka 、 kb 是實(shí)數(shù)，故 kA 、 kB 、 kg 、kc、 kG 都為實(shí)數(shù)， ?kd是 kd 的共軛復(fù)數(shù)。把共軛因子組合成實(shí)系數(shù)的二階因子，則有 第一章 數(shù)字濾波器 7 ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?? ?? ???? ??????????1 21 2N1kN1k2k21k11kM1kM1k2k211k1kzaza1zc1zz1zp1KzH?? （ ） 將實(shí)系數(shù)一階因子也變?yōu)槎A因子，即把 ??zH 全部分解成實(shí)系數(shù)的二階因子，這樣簡(jiǎn)化后的級(jí)聯(lián)形式，有利于實(shí)現(xiàn)，適合時(shí)分多路復(fù)用，即 ? ? ? ??? ??? ??? ????kk 2k21k12k211k zHKzaza1 zz1KzH ?? （ ） 圖 15 六階 IIR 濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是一個(gè)六階系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。一階因式表示實(shí)根， kp 為實(shí)零點(diǎn)， kc 為實(shí)極點(diǎn)。與直接 I型相比，所需延時(shí)器減少了，是IIR 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所需要延時(shí)器單元最少的。同時(shí)看出：兩行串行延時(shí)支路由相同的輸入，可以將它們合并，則得到圖 13直接 II 型結(jié)構(gòu)，稱為直接 II型結(jié)構(gòu)，或典范結(jié)構(gòu)。 X （ n ）b0Y ( n )Z 1Z 1Z 1Z 1Z 1Z 1Z 1Z 1b1b2bMbM 1X ( n 1 )X ( n 2 )X ( n M + 1 )X ( n M )a1a2aN 1aNY ( n 1 )Y ( n 2 )Y ( n N + 1 )Y ( n N ) 圖 11 實(shí)現(xiàn) N 階差分方程的直接 I 型結(jié)構(gòu) 一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，如果交換其級(jí)聯(lián)子系統(tǒng)的次序，系統(tǒng)函數(shù)不會(huì)改變，說(shuō)明輸入輸出關(guān)系不會(huì)改變。這種結(jié)構(gòu)稱為直接 I型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)流圖如圖 11實(shí)現(xiàn) N 階差分方程的直接 I型結(jié)構(gòu)所示，可以看出，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由上面討論的兩部分網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成，第一部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零點(diǎn)，第二部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的極點(diǎn)。而第一部分 ? ??? ?Nk k knya1表示將輸出加以延時(shí)，組成 N節(jié)的延時(shí)網(wǎng)絡(luò) ,將每節(jié)延時(shí)抽頭后，以系數(shù) ka 進(jìn)行加權(quán)，然后把結(jié)果相加，最后的輸出 ??ny 就是這兩部分相加而構(gòu)成。 IIR 的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) IIR 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是信號(hào)流圖中含有反饋支路，即含有環(huán)路，其單位脈沖響應(yīng)是無(wú)限長(zhǎng)的。 與其他類型的濾波器相比，橢圓濾波器的過(guò)渡帶窄，所用階數(shù)低，耗費(fèi)硬件資源少等優(yōu)點(diǎn)，它有著等波紋的通頻帶，等波紋的抑制頻帶和狹窄的過(guò)渡頻帶。切比雪夫低通函數(shù)的極點(diǎn)位于 Z平面左半面的半橢圓上，橢圓的短軸在實(shí)軸上， 第一章 數(shù)字濾波器 4 長(zhǎng)軸在虛軸上。 巴特沃茲濾波器用全極點(diǎn)函數(shù)逼近理想低通特性， Butterworth 濾波器的特點(diǎn)是具有通帶內(nèi)最平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈單調(diào)遞減。 上式中多項(xiàng)式 ?, 10 aa 和 ?, 10 bb 決定了濾波器的類型，也決定了同類濾波器的幅頻與相頻特性曲線的形狀。 5．全通濾波器 理想全通濾波器傳輸函數(shù)的幅值與頻率無(wú)關(guān)，而相移是頻率的函數(shù)。 4．帶阻濾波器 理想帶阻濾波器的傳輸函數(shù)幅值為 ???????????????????????hhlljHH1001)()( () hl ??~ 是阻帶，其他頻率是通帶。 Blh ???? 叫帶寬。 2．高通濾波器 理想高通濾波器的傳輸函數(shù)幅值為 ??? ??? ???? ?? ????001 00)()( jHH () 0~0 ? 是阻帶， ?????0 是通帶。 根據(jù)對(duì)不同頻率信號(hào)的通、阻特性的不同，濾波器可分成低通、高通、帶通、帶阻、全通五大類。 IIR 濾波器，即無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波 器，其特點(diǎn)歸納如下： （ 1）單位沖激響應(yīng) h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的。根據(jù)所處理信號(hào)的不同，濾波器可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩大類。本文主要介紹了 IIR 的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)的工具函數(shù) 。 第一章 數(shù)字濾波器 2 MATLAB 的信號(hào)處理工具箱的兩個(gè)基本組成就是濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分以及譜分析部分。軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并且易于獲得較理想的濾波性能。 一般用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是采用通用計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是設(shè)計(jì)專用的數(shù)字處理硬件。數(shù)學(xué)運(yùn)算通常有兩種形式，一種是頻率法，即利用 FFT 快速算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，分析其頻譜，然后根據(jù)所希望的頻率特性進(jìn)行濾波，再利用傅立葉反變換快速算法繪復(fù)出時(shí)域信號(hào)，這種方法具有較好的頻率選擇特性和靈活性，并且由于信號(hào)頻率與所希 望的頻譜特性是簡(jiǎn)單的相乘關(guān)系，它比計(jì)算等價(jià)的時(shí)域卷積要快的多。它具有以下特點(diǎn)： ， ， ， 。 數(shù)字濾波器作為數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的核心器件 , 按類型分為兩大類 : 無(wú)限沖激響應(yīng) IIR 和有限沖激響應(yīng) FIR 數(shù)字濾波器。 數(shù)字濾波器通常都是應(yīng)用于修正或改變時(shí)域或頻域中信號(hào)的屬性。其中本文一共設(shè)計(jì)了三個(gè)濾波器，采用了不同的方法對(duì)濾波器驚醒了設(shè)計(jì)。 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件改進(jìn)了性能、提升了功能性、解決了潛在的設(shè)計(jì)延遲等，在工業(yè)領(lǐng)域率先提供FPGA 與 maskprogrammed devices 開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一工作流程 本文主要分析各種 IIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究快速 IIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法及其 FPGA 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在快速 IIR 實(shí)現(xiàn)方面，采用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)程序，設(shè)計(jì) 濾波器我主要采用了二階節(jié)級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。 為了將電子電路的設(shè)計(jì)意涵以文件方式保存下來(lái)，以便其它人能輕易地了解電路的設(shè)計(jì)意義。 VHDL 是一種 面向設(shè)計(jì)的多領(lǐng)域、多層次并得到普遍認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言（ HDL:Hardware Discription Language） 。 與 FIR數(shù)字濾波器相比 ,IIR 數(shù)字濾波器可以用較低的階數(shù)獲得高選擇性 , 所要求的階所用存儲(chǔ)單元少 , 且成本低、信號(hào)延遲小 , 同時(shí)還可以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)成果 , 設(shè)計(jì)工作量相對(duì)較小，因此 IIR 數(shù)字濾波器在很多領(lǐng)域中有著更廣闊的應(yīng)用前景。 1 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 中文題目 快速 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 英文題目 Rapid IIR digital filter,design and implementation 學(xué)生姓名 班級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué) 院 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 職稱 摘 要 1 摘 要 關(guān)于數(shù)字濾波器，直到 60 年代中期，才開(kāi)始形成關(guān)于數(shù)字濾波器的一整套完整的正規(guī)理論。數(shù)字濾波器可分為兩大類：有限沖激響應(yīng)（ FIR）和無(wú)限沖激響應(yīng)（ II