基于FPGA的FIR滤波器设计
摘要：数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法,在数字信号处理中, 它占有极其重要的地位. 针对常用的软、硬件方法实现语音FIR滤波器存在的问题，文章提出了一种在MATLAB的FDA界面上设计FIR数字滤波器的新方法和采用现场可编程门阵列器件FPGA并行高速实现语音滤波的硬件解决方案，并以一个16阶低通FIR数字滤波器的实现为例说明利用Altera公司Cyclone系列芯片的设计过程。这种方案可以方便地调整滤波器的阶数和系数，适合不同场合的应用。文章提出的对称并行流水结构可以同时兼顾FPGA综合的速度和面积，实现了FIR滤波器的硬件优化设计。与其他类型的滤波器相比，这种结构类型的滤波器在资源耗用、滤波速度和功耗等方面表现出更优异的性能。仿真表明，在系数量化数据宽度为16位时，系统在高达130MHz时钟频率下能够稳定可靠地工作，可以满足一些高精度实时处理系统对精度和速度的要求。
关键字：FIR FPGA 线性相位 并行流水
目 录
1 引言……………………………………………………………… 5
2 基于乘累加结构的FIR数字滤波器…………………………… 6
3 基于对称并行结构的流水线算法……………………………… 7
3.1 实现FIR滤波器的三种方案………………………………… 7
3.1.1 分布式算法……………………………………………………… 7
3.1.2 串行方式………………………………………………………… 7
3.1.3 并行方式………………………………………………………… 7
3.2 FIR滤波器的具体实现……………………………………… 8
3.2.1 表达式的直接优化……………………………………………… 8
3.2.2 加法树乘法器结构……………………………………………… 8
3.2.3 流水线优化技术………………………………………………… 11
3.2.4 总体结构………………………………………………………… 11
4 Matlab设计FIR滤波器………………………………………… 13
4.1 传统设计方法………………………………………………… 13
4.2 MATLAB设计方法………………………………………………13
4.2.1 FDATool简介…………………………………………………… 13
4.2.2 设计流程………………………………………………………… 14
5 硬件电路设计…………………………………………………… 17
5.1 系统框图……………………………………………………… 17
5.2 FPGA最小系统……………………………………………… 17
5.3 外围电路设计………………………………………………… 20
5.3.1 信号调理电路………………………………………………… 20
5.3.2 AD转换电路…………………………………………………… 24
5.3.3 DA转换电路…………………………………………………… 25
5.3.4 音频放大电路………………………………………………… 26
6 软件设计………………………………………………………… 28
6.1 开发软件和编程语言………………………………………… 28
6.2 开发流程……………………………………………………… 28
6.3 主程序流程图………………………………………………… 29
6.4 仿真结果……………………………………………………… 31
6.4.1 串并转换……………………………………………………… 31
6.4.2 分频器………………………………………………………… 31
6.4.3 AD转换………………………………………………………… 32
6.4.4 加法树乘法器………………………………………………… 33
6.4.5 FIR滤波器…………………………………………………… 33
6.4.6 并串转换……………………………………………………… 35
6.4.7 DA转换………………………………………………………… 36
6.4.8 按键检测……………………………………………………… 37
7 结束语…………………………………………………………… 39
致谢………………………………………………………………… 40
参考文献…………………………………………………………… 41
附录………………………………………………………………… 42
附录1 部分中英文对照………………………………………… 42
附录2 源代码清单……………………………………………… 43
附录3 英文原文………………………………………………… 55
附录4 中文译文………………………………………………… 65
