基于FPGA的硬件滤波器设计及仿真

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基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与实现

的灵活性和适应范围。
关键词：阶节，Ｒ数字滤波器，Ｐ二ＩＩＦＧＡ
Ａｂｔａｔｓｒｃ
ＴｈｓａｐｎｒｄｕｓｅｈｏｓｉｇａｓａｉｐｅｒｉｔｏｃｅａｍｔｄｏｆｕｎｃｃｄｅｄｓｏｄｅｒｏｃｓｅｃｎｄｏｒｂｌｋｗｈｃｈｉｂａｅｏｎＰＧＡｏｍｐｌｓＦｔｉｅｍｅｎｈｐｒｃ— ｔｔｅｉｉｎ
张书召（桐柏鑫泓银制品有限责任公司，南西峡４４５）河７７０
彭杰（广东工业大学自动化学院，广东广州５０９）１００
摘要
介绍一种使用二阶节级联方法在ＦＧＡ上实现任意阶数的Ｉ（限脉冲响应）数字滤波器的原理和方法。首先在ＰＩ无Ｒ
ｐｅａｄｍｅｈｄｏｎｒｅｕｅＩ（ｆｉｍｐｌｅｒｓｏｓ）ｄｇｔｌｆｅｉｔｈｉｒｉａｃｒａｃｔｅｕｒ— ｉｎｔｏｆａｙｏｄｒｎｍｂｒｆＲｉｉｔｉｕｓｅｐｎｅｎｎｅｉｉｉｒｒ，ｅｆｔｎｃｏｄｎｅｗｉｒｑｉａｌＦｓｔｔｌｅｈｅ
１ＩＩＲ数字滤波器的原理和设计
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数字滤波器从实现的网络结构或者从单位脉冲响应的长度
图１直接ｎ型结构
不同，可以分为无限脉冲响应（Ｒ）滤波器和有限脉冲响应ＩＩ

基于FPGA的图像处理硬件设计与实现

基于FPGA的图像处理硬件设计与实现概述：图像处理是数字信号处理领域的重要应用领域之一，它在计算机视觉、医学影像、图像识别等方面有着广泛的应用。

FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑器件，具有并行计算能力和高速数据处理能力，特别适合用于图像处理的硬件设计与实现。

本文将介绍基于FPGA的图像处理硬件设计的基本流程和关键技术，以及实现一个基于FPGA的图像滤波系统的案例。

第一部分：图像处理硬件设计的基本流程1. 系统需求分析：在进行图像处理硬件设计之前，首先需要明确系统的需求和目标。

包括图像处理的功能要求、延迟要求、资源利用率要求等。

2. 硬件平台选择：选择适合图像处理的FPGA开发板或芯片。

根据系统需求，考虑各种性能指标，如时钟频率、资源量、功耗等。

3. 硬件架构设计：设计图像处理系统的硬件架构，包括模块划分、数据通路设计、控制器设计等。

4. 算法实现：根据图像处理的算法和功能需求，将算法转化为硬件设计的形式。

对于复杂的算法，可以采用高层次综合工具进行优化。

5. RTL设计与验证：使用硬件描述语言如VHDL或Verilog来进行RTL （Register Transfer Level）级别的设计和验证。

通过仿真验证电路设计的正确性和功能实现。

6. 综合与布局布线：对RTL设计进行综合优化，将其映射到目标FPGA平台的可用资源上，再进行布局布线。

7. 系统集成与调试：将各个模块进行集成并进行整体调试，确保系统的稳定性和性能。

第二部分：基于FPGA的图像滤波系统设计与实现案例在本部分，我们以图像滤波为例，展示一个基于FPGA的图像处理系统的设计与实现。

1. 系统需求分析：我们的目标是实现一个基于FPGA的图像平滑滤波器。

我们需要处理彩色图像，具体要求为：支持不同尺寸的图像输入，实现高质量的平滑滤波效果，并且具备实时处理的能力。

2. 硬件平台选择：我们选择了一款高性能的FPGA开发板，该板上搭载了一颗高性能的FPGA芯片，具有丰富的资源和高时钟频率。

基于FPGA的IIR滤波器研究及仿真实现

现有的ＤＰ处理器难以同时满足这两方面的要求。随着可编程逻辑器件和ＥＡ技术的发展，ＰＳＤＦＧＡ
（ｉｄＰｏｒｍｍａｌＧｔＡｒａ）性能、本、活性和功耗等方面的优势突显出来，于ＦＧＡ的信Ｆｅ — ｒｇａｌｂｅａｅｒｙ在成灵基Ｐ号处理器已广泛应用于各种信号处理领域。数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之
１ｌｔ字滤波器的基本理论Ｉ数Ｆ
１１数字滤波器的定义和分类．
数字滤波是提取有用信息非常重要、活灵的方法，现代信号处理的重要内容。在数字是通信、音图像处理、分析、式识别、语谱模自动控
ｓｏｐｆｌｅＢＳＦ）ｚ。ｔｉｔｒ，Ｅ？
地运用在大规模集成电路设计中。它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。ＦＧ技术设计Ｉ滤波ＰＡＩＲ
１２数字滤波器的优越性．
够方便快捷的实现滤波器设计、真和实现。仿
而其相对低廉的价格、巧的体积和高效的运小
变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除
某些频率成分的器件＿。１］
行速率，助于降低成本，有降低系统体积与重量，提高效率和性能。所以运用ＦＧＡ技术设Ｐ

基于FPGA的数字滤波器的设计与实现

基于FPGA的数字滤波器的设计与实现数字滤波器是一种非常重要的数字信号处理技术，用于消除输入信号中的噪声，并提高信号品质和可靠性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种用于构建数字电路的可编程逻辑器件，因其高度的可定制性、可重构性和高性能而被广泛应用于数字信号处理中。

本文将介绍基于FPGA的数字滤波器的设计和实现，包括滤波器原理、数字滤波器设计方法、FPGA实现技术以及实验结果分析等内容。

一、数字滤波器原理数字滤波器是滤波器的一种，其实现基于数字信号处理技术。

数字滤波器的输入信号是离散时间信号，输出信号也是离散时间信号。

数字滤波器通过在离散时间域上对输入信号进行滤波，实现对输入信号中某些频率成分的滤除或保留。

数字滤波器通常分为FIR（有限脉冲响应）滤波器和IIR（无限脉冲响应）滤波器两类。

FIR滤波器是一种线性相位滤波器，其系统函数是一个有限长度的冲激响应权重系数序列。

FIR滤波器通过对输入信号的每个样本与权重系数的乘积进行累加，输出得到滤波后的信号。

FIR滤波器具有零相位失真、线性相应特性、易于设计、易于实现等优点。

IIR滤波器是一种具有无限脉冲响应的滤波器，其系统函数是一个有理多项式。

与FIR滤波器相比，IIR滤波器具有更高的滤波效率、更低的计算复杂度和更好的逼近性，但也存在稳定性差、相位失真大等问题。

二、数字滤波器设计方法数字滤波器的设计方法主要包括滤波器性能要求的确定、滤波器类型的选择、滤波器设计的数学模型的建立、滤波器参数的计算、滤波器实现等几个方面。

在确定滤波器性能要求方面，需要考虑滤波器的通频带、阻带、通带和阻带带宽、滤波器响应曲线、阶数等方面的参数。

在滤波器类型的选择方面，需要根据滤波器的性能要求、实现难易度、计算复杂度和开销等方面的因素进行综合考虑。

在滤波器设计的数学模型的建立方面，需要根据选定的滤波器类型建立其对应的数学模型。

在滤波器参数的计算方面，需要根据滤波器的数学模型进行参数的计算和优化。

基于FPGA的FIR滤波器设计

基于FPGA 的FIR 滤波器设计一、设计目的为了帮助学生深入理解和消化基本理论、进一步提高综合应用能力并且锻炼独立解决问题的能力，我们将《数字信号处理》、《集成电路原理与应用》和《《FPGA 系统设计与应用》几门课程融合在一起开设的FPGA 综合实验课程设计。

本次完成的是利用FPGA 来完成FIR 滤波器的设计、程序设计和实验调试任务。

二、设计要求（1）基本要求利用所学知识，采用VHDL 语言完成FIR 滤波器的设计仿真。

要求用VHDL 编程设计底层文件，顶层文件可任意（可用原理图方式或文本方式）；完成仿真文件（包括MATLAB 和QUARTUSII 两种仿真）并对其结果比较。

具体设计指标如下：（1）采样频率S F =80KHz ；（2）截止频率KHz F C 10=；（3）输入序列为10位（最高位为符号位）；（4）窗口类型为kaiser 窗，β=0.5 ；（5）滤波器长度为16 ；（6）输出结果保留10位。

（2）提高部分根据所学知识，设计出一个具有频率控制功能DDS ，要求输出频率分别为10KHz 和100KHz ，将输出的两路数字信号进行叠加，并通过所设计的FIR 滤波器进行滤波，将滤波输出的数字信号通过D/A 转换电路输出波形，并用示波器观察输出波形，并完成测试结果分析。

结构框图如图1-1所示。

图2-1 整体结构框图三、设计原理3.1 FIR 滤波器由线性系统理论可知，在某种适度条件下，输入到线性系统的一个冲击完全可以表征系统。

当我们处理有限的离散数据时，线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的。

若线性系统仅是一个空间滤波器，则通过简单地观察它对冲击的响应，我们就可以完全确定该滤波器。

通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（FIR)滤波器。

3.2 线性FIR 滤波器原理FIR 滤波器响应（简称FIR ）系统的单位脉冲响应()h n 为有限长序列，系统函数()H z 在有限z 平面上不存在极点，其运算结构中不存在反馈支路，即没有环路。

基于FPGA的FIR滤波器设计与仿真

激响应（Ｉ滤波器和有限长冲激响应（Ｉ滤波器两种．中：ＩＩＲ）ＦＲ）其ＩＲ
数字滤波器；分布式算法；ＰＡＦＧ中图分类号Ｔ３１Ｐ１文献标志码Ａ
滤波器需要执行无限数量卷积，能得到较好的幅度特性，相位特性其是非线性的；Ｉ波器由有限个采样值组成，构成的系统总是稳ＦＲ滤其定的，易于实现线性相位 …．且由于在语音信号处理、图像处理、数字通信等传输过程中不能有明显的相位失真，ＦＲ滤波器在满足一定而Ｉ对称条件下可以实现ＩＩＲ滤波器难以实现的线性相位，因而得到广泛
特别适合如ＦＲ、丌等数字信号处理任务．ＩＦ利用ＦＧＰＡ可以重复配置高精度的ＦＲ滤波器，用ＶＤＩ使ＨＬ硬件描述语言改变滤波器的系数和
阶数，能实现大量的卷积运算算法Ｊ结合Ｍｘｌｓ具软件的辅并．ａｐｕ工
案速度快、时性好、省硬件资源，实节具有重要的工程应用价值．关键词
实现数字化是控制系统的重要发展方向，而数字信号处理已在
通信、语音、图像、自动控制、达、事、空航天等领域广泛应用．雷军航数字信号处理方法通常涉及变换、波、谱分析、码解码等处滤频编理¨．数字滤波是数字信号处理重要环节，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，克服模拟滤波器所无法解决的电压和温度漂移以及噪声等问题，而有限冲激响应ＦＲ滤波器在设计任意幅频特性Ｉ的同时能够保证严格的线性相位特性．数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，分为无限长冲可

基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真

ａｉｎｌｓｐｒｔｏ，ｓｏａｉｎｏｈｐｎ．ＩｌｒｉｗｄｌｓｄｂｃｕｅｏｔｔｃｈｓｉｔｒｉｎａｄｓａｐｃｔｏｓｓａｅａａｉｎｒｔｒｔｒｓａｉｇＦＲｆｔｓｉｅｙｕｅｅａｓｆｉｓｉｔｐａｅｄｓｔｏｎｈｒｕ — ｆｇｅｏｉｅｓｒｏ
ｃａａｔｒｓｉ．ｈａｉｈｏｙｏｉｉｌｆｔｒａｄｔｅｍｅｈｄｏａｉａｉｎａｅｒｓａｃｅ．ｈｅｉｎｏｅｒｑｉｄｄｇｔｌｈｒｃｅｉｃＴｅｂｓｃｔｅｒｆｄｇｔｌｅｎｈｔｏｆｅｌｔｒｅｅｒｈｄＴｅｄｓｇｆｔｅｕｒｉｉｔａｉｒｚｏｈｅａｉｅｓｇｖｎｕｉｇｔｅｓｍｕａｅｓｆｒｆＭＡＴＡＢ．ｎｈｉｌｔｒｓｌｉｉｅ．ｆｔｒｉｉｅｓｎｈｉｌｔｏｔａｅｏｌｗＬａｄｔｅｓｍｕａｅｅｕｔｓｇｖｎＫｅｒｓｆｔｒｄｇｔｌｃｎｒｌｓｓｅ／ｃｌｙｉｓａｌｔｎｒｖｅｄｓｒｕｅｌｏｉｍ；ｎｏｆｎｔｎｙｗｏｄ：ｉｅ；ｉｉ；ｏｔｏｙｔｍｓｆｉｔｎｔｌｉｅｉｗ；ｉｔｂｔｄａｇｒｔｌａａｉａｏｉｈｗｉｄｗｃｉｕｏ
ｙ∑ｃ］２＋ｂ２ｆ＝【ｌ ∑Ｘ］ｎ一［ｎ
ｎ＝０Ｌ＝０Ｊ
（３）
分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法。它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序。该算法利用一个查找表（Ｕ）现映射，用一个２ＬＴ实即字宽、先编好程序的ＬＴ接收一个 Ⅳ 位输入向量Ｘ＝】预ＵＩ【，ｘ０％［，，［－ｌ映射，查找表的查找后直接输出部分积。１ … ｘＮｌ】】￣的经与传统算法相比，布式算法可极大的减少硬件电路的规模，分

基于 FPGA 的数字滤波器设计与实现

基于 FPGA 的数字滤波器设计与实现引言：数字滤波器是现代信号处理的重要组成部分。

在实际应用中，为了满足不同信号处理的需求，数字滤波器的设计与实现显得尤为重要。

本文将围绕基于 FPGA的数字滤波器的设计与实现展开讨论，介绍其工作原理、设计方法以及优势。

同时，还将介绍一些实际应用场景和案例，以展示基于 FPGA 的数字滤波器在实际应用中的性能和效果。

一、数字滤波器的基本原理数字滤波器是一种将输入信号进行滤波处理，改变其频谱特性的系统。

可以对频率、幅度和相位进行处理，实现信号的滤波、去噪、增强等功能。

数字滤波器可以分为无限脉冲响应滤波器（IIR）和有限脉冲响应滤波器（FIR）两种类型。

IIR滤波器是通过递归方式实现的滤波器，其输出信号与过去的输入信号和输出信号相关。

FIR滤波器则是通过纯前馈结构实现的，其输出信号仅与过去的输入信号相关。

两种类型的滤波器在性能、复杂度和实现方式上存在一定差异，根据具体的应用需求选择适合的滤波器类型。

二、基于 FPGA 的数字滤波器的设计与实现FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，通过可编程逻辑单元（PLU）、可编程连线（Interconnect）和可编程I/O（Input/Output）实现。

其可编程性使得 FPGA 成为数字滤波器设计与实现的理想平台。

1. FPGA的优势FPGA具有以下几个优势，使得其成为数字滤波器设计与实现的首选平台：灵活性：FPGA可以根据设计需求进行自定义配置，可以通过修改硬件逻辑来满足不同应用场景的需求。

可重构性：FPGA可以重复使用，方便进行修改和优化，减少芯片设计过程中的成本和风险。

高性能：FPGA具有并行处理的能力，可以实现多通道、高速率的实时数据处理，满足对于实时性要求较高的应用场景。

低功耗：FPGA可以进行功耗优化，通过减少冗余逻辑和智能布局布线来降低功耗。

2. 数字滤波器的实现方法基于 FPGA 的数字滤波器的实现方法主要有两种：直接法和间接法。

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工具（ＤＴｏ）ＦＡｏ１。
一、ｆ
｝ｌ｜
Ｆｏｕｒ／ｃｒｑｅ￣ＫＨ
／，
图１
一
质量监督・消费指导５７
广质监导西量督报
在ＦＧＰＡ中使用将１位定点数据。因此在使用Ｇｎｒｔ６ｅｅａｅＨＬＤ工具生成ＦＧ设计所需要的ＶｒｇＰＡｅｌ文件之前，我们还要将ｏ
三、Ｓｍｕｉｉｌｋ中的仿真ｎ
为了进一步验证仿真我们设计的滤波器，在Ｓｍｌｋｉｕｎ环境ｉ
下，将我们设计的滤波器作为模块导出，并输入信号为Ｓ（）ｔ
＝ｉ（００２ｔｓｎ（００ｔ，设计如图２示的仿ｓ１０）＋ｉ３００２）ｎ所
图５
陈然 ’胡代弟（．１郑州铁路职业技术学院。河南郑州４０５；５０２
２郑州大学西亚斯学院。河南郑州４０５）。５０２
一
、
引言
ＦＡｏｌ（ｉｅｅｉＤＴｏＦｌｒＤｓｎ＆Ａａｓｏ１ｔｇｎｌｉＴｏ）是ＨＴＡ信号ｙｓ实现。首先，我们使用ＭＴＡ生成ＡＬＢＡＬＢ输入波形数据，为了便于比较，我们取与Ｓｍｌｋｉｕｉ中相同的仿ｎ真数据。在ＭＴＡ中建立ＳＮＩ．文件，内容如下：ＡＬＢＩ＿ＮＭ
ｘＯ９＝：９；
广西质量监督导报
基于ＦＧＰＡ的硬件滤波器设计及仿真
［要］本文通过对～个四阶Ｉ摘ＩＲ椭圆滤波器的设计，介绍利用ＭＴＡ及ＡＬＢ
ＱＡＴＩ软件实现基于Ａｔｒ公司的ＦＧＵＲＩｌａｅＰＡ器件的滤波器设计及仿真的方法。
［关键词］ＦＧ；Ｉ滤波器；ＭＴＡＰＡＩＲＡＬＢ
ｍ＝Ｘ；
执行仿真后，分别将滤波器的输入和输出数据显示在Ｓｏｅ和Ｓｏｅ，波形分别为图３和图４所示。ｃｐｌｃｐ上
通常会使用到ＭＴＡ软件作为设计和仿真的工具。ＡＬＢ
本文使用ＭＴＡ制一个四阶ＩＡＬＢ定Ｉ圆滤波器，通过Ｒ椭
ＦＡｏｌＤＴｏ工具生成适于ＦＧＰＡ的硬件描述语言，并将其导入
ＱＡＴＩ中进行设计仿真。ＵＲＩ
二、ＩＩＲ数字滤波器的设计
信号处理过程中，对信号的过滤、检测、预测等，都要使用滤波器，数字滤波器是数字信号处理中使用最广泛的一种器
件。ＦＧ具有使用灵活、可并行工作、运算速度高等优点，越ＰＡ来越多地运用到数字信号处理中。传统的数字滤波器的设计使用公式繁琐，参数改变后需要重新计算，从而在设计滤波器时工作量很大。现代滤波器设计，
Ｆ１ｒａｉｍｔｃ置为Ｆｅ—ｏｎ；Ｆｌｒｉｔｒａｊｅｒｈｅｉ设ｔｔｉｄｐｉｘｔｉｅｎｅｎｌ的ｔｓ中
Ｒｕｄｎｏｅｏｎｉｇｍｄ设置为Ｆｏ：Ｏｅｆｗｍｄｌｒｖｒｌｏｅ设置为Ｓｔｒｅｏｏａｕａ。ｔ
处理工具箱专用的滤波器设计分析工具，操作简单、灵活，可以采用多种方法设计ＦＲＩ滤波器。在ＨＴＡ命令窗口输Ｉ和ＩＲＡＬＢ入ＦＡｏｌＤＴｏ后回车就会弹出ＦＡｏｌＤＴｏ界面。
首先在ＦｌｒＴｐｉｅｙｅ中选择ｌａ（通滤波器）ｔｏｐｓ低ｗｓ：在ＤｓｎＭｔｏ选项中选择Ｉ：接着在相邻的右则选项中选择ｅｉｅｈｄｇＩＲＥｌｔ（圆型）；指定ＦｌｒＯｄｒ项中的Ｓｅｉｌｐｉ椭ｉｃｉｅｒｅｔｐｃｆｙＯｄｒ４然后在ＦｅｕｎｙＳｅｉｃｔｏｓ中选择Ｕｉｒｅ＝：ｒｑｅｃｐｃｉａｉｎｆｎｔ为Ｋｚ给出采样频率Ｆ＝Ｏ，通带Ｆａ＝０最后在Ｈ，ｓｌＯｐｓ２ｉｓＭｇｉｕｅｐｃｉａｉｎ中选择Ｕｉ为ｄ，ＡａｓｌａｎｔｄＳｅｉｃｔｏｓｆｎｔｂｐｓ，＝Ａｔｐ２。设置完成后点击Ｄｓｇｉｅｓ＝０ｏｅｉｎＦｌｒ即可得到所设计的ｔＩ滤波器。ＩＲ
Ｉ数字滤波器与ＦＲＩＲＩ数字滤波器相比，它可以用较低的阶
设计完后的幅频响应如图１所示。
数获得高选择性，所用逻辑资源少、效率高，在相同门级规模
和相同时钟速度下可以提供更好的特性。本文的设计为４阶ＩＩＲ椭圆滤波器，采样频率为１０Ｈ，止频率为２Ｈ，阻带衰Ｏｚ截Ｋ０ｚＫ减为２Ｂ０的低通滤波器。ｄ本文使用到ＭＴＡ信号处理工具箱中的滤波器设计和分析ＡＬＢ
四、ＱＡＴ中模块生成及仿真ＵＲ
打开ＱＡＴＩ，新建一个工程，导入ＦＡｏｌＵＲＩＤＴｏ生成的Ｖｒｇ文件，并在顶层图中生成相应的模块。为便于仿真，设ｅｌｏ
计如图５所示的顶层设计图。
设置完成后，使用ＧｎｒｅＨＬｅｅａＯ工具生成ＦＧ设计所需要的ｔＰＡＶｒｇｅｌ文件，并且保存为ｆｌｒａ。ｏｉｅ．ｄｔｆ
图中，Ｉｍｒｍ模块是一个ＲＭｐ —ｏＯＯ模块，仿真开始之前将输入的波形数据保存在ＲＮ中。仿真时，在时钟的作用下，由Ｏａｄｄ模块将ＲＭ中的数据顺序送到滤波器模块ＦｌｒＯｉｅ中，滤波ｔ输出的数据传送到ｆｌｒｏｔｉｅｕ引脚。ｔ
由于ＦＧ仿真数据也不能直观地反映波形，因此我们在仿ＰＡ