基于FPGA的数字滤波器设计与实现——滤波器自动生成系统设计

摘要

随着电子技术的发展，数字滤波器以其良好的特性被广泛地应用在各个领域。它属于数字信号处理的基本模块之一。在工程实践中，对信号处理的灵活性和实时性要求很高，而现有的一些软件和硬件设计方式难以同时达到这两方面的要求。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展，利用FPGA来实现数字滤波器，可以同时兼顾系统的灵活性和实时性，越来越多的电子工程师采用FPGA器件来实现滤波器。然而当滤波器的滤波参数改变时，还是需要硬件工程师进行重新编写代码，这造成了很大的设计资源浪费。
　　 针对这一问题，本文研究了基于FPGA平台的各种数字滤波器的设计算法，通过对这些算法的研究得出一个以各种算法实现的滤波器代码库，并基于这个代码库开发出能够自动生成滤波器硬件代码的软件系统，从而杜绝了因设计参数改变而导致的设计浪费，大大缩短了滤波器设计周期。本论文所做的工作如下:
　　 1、研究了分布式算法在数字滤波器(包括FIR和IIR)设计中的应用。实现了基于分布式串行算法、分布式并行算法、芯片自带乘法器等方法的数字滤波器。并对这些方法实现数字滤波器的性能、特点以及资源耗费等方面进行了分析和比较。
　　 2、采用了Verilog硬件描述语言和自顶向下的数字系统设计方法，利用FPGA器件以各种算法(MAC，分布式串行/并行算法)进行数字滤波器系统的设计，对每个模块进行了详细的逻辑仿真。搭建了一个测试平台，对滤波结果进行了测试。测试结果验证了设计的正确性。
　　 3、数字滤波器RTL代码构件库的建立。通过建立这个构件库，把数字滤波器的各种实现方法做了分类，并在每个分类中对代码进行了切分，把代码划分成若干部分，从而让滤波器的设计结构一目了然，这为后来的滤波器RTL代码的自动生成系统奠定了基础。
　　 4、滤波器RTL代码的自动生成系统设计。数字滤波器在数字信号处理领域经常用到，但因为滤波参数以及性能的要求不同，设计好的滤波器不能够重复使用，如果需求变化还要重新设计。本系统通过MATLAB的GUI设计，把滤波器设计与FPGA硬件实现进行了集成。使用者可以通过系统的软件界面设定滤波参数以及所选用的FPGA芯片，调用MATLAB中滤波器设计函数以及FPGA芯片资源文件库，得出相应的滤波系数以及芯片资源消耗等参数，根据这些不同的系数调用滤波器RTL代码构件库，生成实际设计所需要的滤波器。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状及存在的问题

1.4 主要研究内容与创新点

1.5 内容安排

第二章 滤波器理论及其实现算法

2.1 数字滤波器概述

2.2 数字滤波器分类

2.3 数字滤波器基本结构

2.4 数字滤波器设计步骤

2.5 数字滤波器实现的算法

2.6 本章小结

第三章 滤波算法的FPGA实现

3.1 FPGA开发软件及芯片介绍

3.1.1 开发软件介绍

3.1.2 开发芯片介绍

3.2 FPGA开发流程

3.3 MAC结构实现滤波器

3.3.1 MAC结构分析

3.3.2 设计与仿真分析

3.4 分布式串行结构实现滤波器

3.4.1 算法结构分析

3.4.2 设计实现与仿真分析

3.5 分布式并行结构实现滤波器

3.5.1 算法结构分析

3.5.2 设计实现与仿真分析

3.6 本章小结

第四章 滤波器代码库的构建

4.1 滤波器代码库设计概述

4.2 滤波器代码库的构成

4.2.1 MAC结构数据包

4.2.2 分布式串行结构数据包

4.2.3 分布式并行结构数据包

4.3 本章小结

第五章 数字滤波器自动生成系统设计

5.1 设计构想

5.2 设计工具简介

5.3 软件构架

5.4 软件模块设计

5.4.1 滤波器类型模块

5.4.2 频率及衰减参数模块

5.4.3 设计结构选择模块

5.4.4 滤波器阶数选择模块

5.4.5 芯片选型模块

5.4.6 数据位宽选择模块

5.4.7 滤波器设计模块

5.4.8 频率响应图模块

5.4.9 硬件资源消耗评估模块

5.5 硬件代码生成模块

5.5.1 MATLAB文件操作

5.5.2 数据准备

5.5.3 代码库定位

5.5.4 代码读写操作

5.6 本章小结

第六章 滤波器自动生成系统应用举例

6.1 设计参数

6.2 设计过程

6.3 实现过程

6.4 系统测试

6.4.1 测试模型

6.4.2 UART控制器设计

6.4.3 整体测试

6.5 本章小结

第七章 设计总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文