【正文】 描述語言的設(shè)計(jì)和基于圖形的設(shè)計(jì)，內(nèi)部嵌有VHDL和Verilong HDL的邏輯綜合器，也支持利用第三方的綜合工具進(jìn)行邏輯綜合。Quartus II軟件除了進(jìn)行基于FPGA的一般的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)外。 Quartus II軟件的設(shè)計(jì)流程遵循典型的FPGA設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)輸入，綜合，布局布線，時(shí)序分析，仿真驗(yàn)證，編程配置等設(shè)計(jì)步驟，以及與布局布線有關(guān)的功耗分析，調(diào)試，工程更改管理，與時(shí)序分析和仿真驗(yàn)證有關(guān)的時(shí)序逼近。數(shù)字濾波器具有精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、不要求阻抗匹配，易于修改等特點(diǎn)。 數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波系統(tǒng)如圖11所示。然后x(n)通過數(shù)字濾波系統(tǒng)H(z)，即得到數(shù)字濾波器的輸出y(n)。一個(gè)線形時(shí)不變因果濾波器可表示為： (22)其中N為h(n)的長(zhǎng)度，即濾波器的長(zhǎng)度。圖21 數(shù)字濾波系統(tǒng) IIR濾波器主要是基于對(duì)模擬濾波器如巴特沃斯濾波器、橢圓濾波器等的幅頻響應(yīng)進(jìn)行逼近，而其相頻響應(yīng)是非線性的。這使得FIR數(shù)字濾波器在信號(hào)無失真?zhèn)鬏?、?shù)據(jù)通信、圖像傳輸與處理、語音信號(hào)處理等有線性相位要求的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 FIR數(shù)字濾波器由于線性相位FIR濾波器的廣泛應(yīng)用，本文將首先討論一下如何實(shí)現(xiàn)線性相位FIR濾波器。 當(dāng)滿足: (25)為初始相位，為常數(shù)。這樣，當(dāng)不同頻率的信號(hào)通過該濾波器時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生相位的失真。 在（25）式中，當(dāng)時(shí)，為常量，這時(shí)濾波器有嚴(yán)格的線性相位，即對(duì)于不同頻率的信號(hào)，通過該濾波器都有恒定的延遲，而不產(chǎn)生相位的失真。由于關(guān)于奇對(duì)稱，令關(guān)于偶對(duì)稱，則滿足關(guān)于求和區(qū)間中心奇對(duì)稱的要求，即（29）式成立。 基于的對(duì)稱不同和長(zhǎng)度N的奇偶區(qū)別，線性相位FIR數(shù)字濾波器的幅度頻率特性有所不同，因而所實(shí)現(xiàn)的濾波器的功能有所不同，具體如表11所示。表21 四種類型的線性相位濾波器I型N為奇數(shù)低通、帶通、高通、帶阻II型N為偶數(shù)低通、帶通III型N為奇數(shù)帶通IV型N為偶數(shù)帶通、高通 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)FIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)算法的不同，可以把FIR濾波器的結(jié)構(gòu)劃分為直接型、級(jí)聯(lián)型、頻率采樣型和快速卷積型四種基本形式。A． 直接型結(jié)構(gòu)由式子（12）可直接畫出FIR數(shù)字濾波器的直接型結(jié)構(gòu)，如圖12所示。對(duì)于使用FPGA開發(fā)FIR數(shù)字濾波器，這樣的結(jié)果顯然不令人滿意。以嚴(yán)格線性相位，N為偶數(shù)的FIR濾波器為例，如圖13所示。這樣，每產(chǎn)生一個(gè)輸出，經(jīng)過次乘法，次加法，比原來減少次乘法。圖24 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)每產(chǎn)生一個(gè)輸出，需要次乘法，次加法。四、設(shè)計(jì)方案圖41若N為偶數(shù)線性相位FIR濾波器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)流圖本設(shè)計(jì)取為偶對(duì)稱的情況，則圖中：應(yīng)取“ +1 ”。由各單元VHDL編程后，生成相應(yīng)的符號(hào)文件。整個(gè)電路的原理圖設(shè)置方案如圖42所示：圖4 2 濾波器整體設(shè)計(jì)方案原理圖五、設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)果分析首先使用matlab計(jì)算出符合設(shè)計(jì)要求的濾波器沖激響應(yīng)系數(shù)。在進(jìn)行編譯及仿真。 Analysis Tool窗口，在該工具的幫助下。design filter部分主要分為：Response Type（響應(yīng)類型）選項(xiàng)，包括Lowpass（低通）、Highpass（高通）、Bandpass（帶通）、Bandstop（帶阻）和特殊的濾波器。Design Method（設(shè)計(jì)方法）選項(xiàng)，包括IIR濾波器的Butterworth（巴特沃思）法、Chebyshev Type i（切比雪夫i型）法、 Chebyshev Type ii（切比雪夫ii型） 法、Elliptic（橢圓濾波器）法等和Window（窗函數(shù)）法等多種方法。選定窗函數(shù)法后，會(huì)在右側(cè)出現(xiàn)Options區(qū)域，進(jìn)行窗函數(shù)法相關(guān)參量的設(shè)置，根據(jù)作業(yè)要求選擇Kaiser窗并設(shè)置Beta為：。在Specify order中填入所要設(shè)計(jì)的濾波器的階數(shù)（n階濾波器，specify order＝n1），如果選擇Minimum order則matlab根據(jù)所選擇的濾波器類型自動(dòng)使用最小階數(shù)。Frenquency Specifications選項(xiàng)，可以詳細(xì)定義頻帶的各參數(shù)，包括采樣頻率Fs和頻帶的截止頻率。我們要求的 Lowpass（低通）濾波器只需要定義Fs=80 KHz、Fc=10 KHz。圖51 參數(shù)全部設(shè)定后圖參數(shù)設(shè)定完畢，單擊工具窗口下方的Design Filter按鈕，就開始進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算。圖形如下：圖52 幅頻響應(yīng)曲線圖53 相頻響應(yīng)曲線圖54 沖激響應(yīng)計(jì)算的結(jié)果可通過File下拉菜單中的Export命令取出，點(diǎn)擊Export打開Export對(duì)話框（如圖55），點(diǎn)擊Export按鈕可將濾波器系數(shù)數(shù)據(jù)存放到當(dāng)前工作空間，并以Num命名。圖 56 輸出在matlab的沖激系數(shù)對(duì)FIR濾波器的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，做整數(shù)化操作。在本設(shè)計(jì)中使用帶異步復(fù)位rst端的D觸發(fā)器，當(dāng)rst=1時(shí)，輸出信號(hào)q=0，當(dāng)rst=0且上升沿脈沖到達(dá)時(shí)q=d，即延遲了一個(gè)在周期。 USE 。 d:IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0)。END jicunqi。139。039。 ELSIF(clk39。139。 END IF。END dff16。圖 59 寄存器元件圖、加法器模塊即實(shí)現(xiàn)兩個(gè)有符號(hào)數(shù)的相加運(yùn)算。在本設(shè)計(jì)中共有8個(gè)：兩個(gè)10位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生一個(gè)11位有符號(hào)數(shù)的加法器、一個(gè)18位和19位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生20位有符號(hào)數(shù)的加法器、一個(gè)兩個(gè)20位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生一個(gè)21位有符號(hào)數(shù)的加法器、一個(gè)兩個(gè)19位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生一個(gè)20位有符號(hào)位數(shù)的加法器、一個(gè)20位和21位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生22位有符號(hào)數(shù)的加法器，以及一個(gè)20位和22位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生23位有符號(hào)數(shù)的加法器電路。USE 。ENTITY add101011 IS PORT(a,b: IN SIGNED(9 DOWNTO 0)。 s:OUT SIGNED(10 DOWNTO 0))。ARCHITECTURE sum101011 OF add101011 ISBEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clk39。139。a)+(b(9)amp。 END IF。END sum101011。USE 。ENTITY add181920 IS PORT(a: IN SIGNED(17 DOWNTO 0)。 clk: IN STD_LOGIC。END add181920。EVENT AND clk=39。)THEN s=(a(17)amp。a)+(b(18)amp。 END IF。END sum7023918。USE 。ENTITY add202021 IS PORT(a: IN SIGNED(19 DOWNTO 0)。 clk: IN STD_LOGIC。END add202021。EVENT AND clk=39。)THEN s=(a(19)amp。b)。 END PROCESS。程序編譯后就可進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖514所示：圖 514 兩個(gè)20位有符號(hào)數(shù)相加結(jié)果波形圖由上圖可知，與預(yù)期相符，即設(shè)計(jì)正確，再將其生成為一個(gè)元件以便后來調(diào)用，其生成圖如圖515所示圖 515 兩個(gè)20位有符號(hào)數(shù)相加元件圖⑷ 兩個(gè)19位有符號(hào)數(shù)相加產(chǎn)生一個(gè)20位有符號(hào)位數(shù)的加法器設(shè)計(jì)：由分析可寫出如下程序：LIBRARY ieee。USE 。 b: IN SIGNED(18 DOWNTO 0)。 s:OUT SIGNED(19 DOWNTO 0))。ARCHITECTURE sum181819 OF add191920 ISBEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clk39。139。a)+(b(18)amp。 END IF。END sum181819。USE 。ENTITY add202122 IS PORT(a: IN SIGNED(19 DOWNTO 0)。 clk: IN STD_LOGIC。END add202122。EVENT AND clk=39。)THEN s=(a(19)amp。a)+(b(20)amp。 END IF。END sum192021。為了比較，特又引出了一個(gè)23位全輸出引腳（quan）。USE 。 ENTITY add202223 IS PORT(a: IN SIGNED(19 DOWNTO 0)。 quan: OUT SIGNED(22 DOWNTO 0)。 s:OUT SIGNED(9 DOWNTO 0))。ARCHITECTURE sum192110 OF add202223 ISBEGIN PROCESS(clk) VARIABLE c:SIGNED(22 DOWNTO 0)。EVENT AND clk=39。)THEN c:=(a(19)amp。a(19)amp。b)。 s=c(22 DOWNTO 13)。 END PROCESS。程序編譯后就可進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖520所示圖 520 20位和22位有符號(hào)數(shù)相加 結(jié)果波形圖由上圖可知，與預(yù)期相符，即設(shè)計(jì)正確，再將其生成為一個(gè)元件以便后來調(diào)用，其生成圖如圖521所示。即用零值減去輸入的兩數(shù)，在時(shí)鐘脈沖到來時(shí)做減法運(yùn)算，輸出結(jié)果。106和54后面的加法器采用同樣的方式處理。USE 。ENTITY jian3188 isPORT(clk : in STD_LOGIC。 Din2 :in signed (17 downto 0)。END jian3188。Din1(15)amp。SIGNAL s2: signed(18 downto 0):=(OTHERS=39。)。event and clk=39。 THEN Dout=s2Din2s1。 END PROCESS。程序編譯后就可進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖522所示：圖522 31和88的減法器結(jié)果仿真圖由上圖可知，與預(yù)期相符，即設(shè)計(jì)正確，再將其生成為一個(gè)元件以便后來調(diào)用，其生成圖如圖523 所示。USE 。ENTITY jian10654 isPORT(clk : in STD_LOGIC。 Din2 :in signed (16 downto 0)。END jian10654。Din2)。039。BEGIN PROCESS(Din1,Din2,clk) BEGIN IF clk39。139。 END IF。END sub1065417。圖 525 106和54的減法器元件圖、乘法器模塊：實(shí)現(xiàn)輸入帶符號(hào)數(shù)據(jù)與固定數(shù)據(jù)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算。從資源和速度方面考慮，常系數(shù)乘法運(yùn)算可用移位相加來實(shí)現(xiàn)。濾波器系數(shù)分別為3810570、23404949402370、510831。編碼方式如下：31被編碼為2^52^0、88被編碼為2^6+2^4+2^106被編碼為2^6+2^5+2^3+2^54被編碼為2^62^32^70被編碼為2^6+2^2+2^239被編碼為2^82^42^0、401被編碼為2^92^7+2^4+2^0、499被編碼為2^92^32^22^0。USE 。E