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基于CSD架构的FIR滤波器设计

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基于CSD架构的FIR滤波器设计 (毕业设计54页16488字+图+程序)
摘要:滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。其中数字滤波器精度高、稳定性好,不存在阻抗匹配问题,可以时分复用,能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。文中介绍了FIR数字滤波器的基本原理、应用领域及设计思想,比较了FIR滤波器各种实现结构的优缺点,并介绍了Matlab、ModelSim等软件实现低通FIR滤波器的方法及步骤,以此为指导,设计出了一种低通FIR滤波器。该滤波器采用了二的补码形式的CSD编码算法,能够将常系数编码中的非零位达到最少,从而简化乘法器的结构,提高滤波器的运算速度。滤波器电路采用Verilog HDL设计,最后设计出的基于CSD架构的半带FIR滤波器在ModelSim上通过了功能仿真,并在Matlab上进行频谱和时域分析。结果表明,此设计达到了预期效果,且采用这种方法设计的FIR滤波器其性能优于传统方法。

关键词:CSD架构;FIR滤波器;Verilog HDL;乘法器;加法器

 

Design of FIR Filter Based on CSD Structure

Abstract:The filter,with high precision,no resist-match problem good stability,is regarded as a signal system, which can achieve the time reuse,complete the filter task the analog filters can’t do. The paper introduces the basic principle,the application fields and the designing idea of the FIR digital filter. According to comparing the merits and demerits  of the FIR digital filter’s realization structure,and introducing the method and steps of achieving low-filtering FIR digital filter by using software such as Matlab and Modelsim, a low-filtering FIR digital filter is designed. The filter adopts CSD coding algorithm using the diminished radix complement of two. The way can achieve least nonzero digit of the coefficient code,which makes the structure simpler as well as improves the speed of  filter. The filter’s circuit is designed using the language of Verilog HDL. The FIR filter base on the CSD structure passes the simulation on ModelSim,and carries on the frequency spectrum and the time domain analysis on the roof of Matlab. The result indicates that the design has reached the effect of expected,and the performance used this method surpasses the traditional method.

Key words: CSD structure, FIR filter, Verilog HDL, Multiplier, Accumulator

 


目    录

第1章  绪论 1
1.1本课题的目的和意义 1
1.2本课题在国内外的发展概况及存在问题 1
1.3本课题所做的工作 2
1.4本课题应解决的主要问题 2
第2章  FIR滤波器的设计基础 3
2.1 FIR滤波器的基本原理 3
2.2 IIR滤波器的基本原理 7
2.3 FIR滤波器与IIR滤波器的比较 7
第3章  FIR滤波器的设计 9
3.1数字滤波器的设计过程 9
3.2 数字滤波器性能指标的设计 10
3.3半带FIR滤波器的设计 10
3.3.1半带滤波器(HBF)的特性 10
3.3.2半带滤波器的设计 11
3.3.3半带滤波器结构的好处 12
3.4滤波器系数的确定 12
3.5滤波器系数有限字长处理 13
第4章  运算单元的设计 14
4.1加法器 14
4.2乘法器 16
4.2.1逐位进位并行乘法器 17
4.2.2进位节省乘法器 19
4.3 CSD乘法器 20
4.3.1 CSD乘法器的设计 20
4.3.2 CSD中精度的改善 21
第5章  基于CSD架构的FIR滤波器的实现与验证 27
5.1基础开发工具简介 28
5.1.1 MATLAB简介 28
5.1.2 Verilog HDL简介 29
5.1.3 ModelSim简介 30
5.2基于Verilog HDL的设计实现与验证 31
5.3系统验证 39
结论 42
致谢 43
参考文献 44
附录  46

 

 

 

 


 
第1章  绪论
1.1本课题的目的和意义
Verilog HDL是数字系统设计中应用最广泛的语言之一,目前许多微电子、FPGA公司都采用该语言进行数字系统设计,因此掌握该硬件描述语言并学会用它设计数字系统是很有意义的。而滤波器是数字信号处理系统中最常用的器件之一,CSD架构的位串行FIR滤波器运算速度较快,滤波器面积相对较小,其应用也比较多,因此学会滤波器的硬件设计也是很有意义的。通过该设计可以掌握数字滤波器的MATLAB和Verilog HDL设计方法,能使用这两种工具对滤波器进行设计,了解数字滤波器的多种结构,并熟悉CSD架构。
1.2本课题在国内外的发展概况及存在问题
Verilog HDL和VHDL都是用于逻辑设计的硬件描述语言,并且都已成为IEEE标准。VHDL 其英文全名为Very high speed integrated Hardware Description Language,意为甚高速集成电路,故VHDL其准确的中文译名为甚高速集成电路的硬件描述语言。VHDL是在1987年成为IEEE标准,Verilog HDL则在1995年才正式成为IEEE标准。之所以VHDL比Verilog HDL早成为IEEE标准,这是因为VHDL是美国军方组织开发的,而Verilog HDL则是从一个普通的民间公司的私有财产转化而来,基于Verilog HDL的优越性,才成为的IEEE标准,因而有更强的生命力。
与VHDL相比,Verilog HDL最大优点是:它是一种非常容易掌握的硬件描述语言,只要求具有C语言的编程基础。而掌握VHDL设计技术就比较困难。需要有Ada编程基础。一般认为Verilog HDL在系统级抽象方面比VHDL略差一些,而在门级开关电路描述方面比VHDL强得多。在美国,高层次数字系统设计领域Verilog和VHDL的应用比率是80%和20%;日本和我国台湾省与美国相同;而在欧洲VHDL发展得比较好。在中国大陆,由于Verilog和VHDL的使用才开始两到三年,应用比率还没有具体统计。国内大多数集成电路设计公司都采用Verilog。Verilog是专门为复杂数字系统的设计仿真而开发的,本身就非常适合复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合。由于Verilog 在其门级描述的底层,也就是在晶体管开关的描述方面比VHDL有强得多的功能,所以即使是VHDL的设计环境,在底层实质上也是由Verilog HDL描述的器件库所支持的[1]。
1.3本课题所做的工作
1、要研究基于CSD架构实现的FIR数字滤波器,首先要了解CSD架构,然后才能进行下步的设计。
2、对FIR数字滤波器的结构和设计方法要有一定的了解,会使用MATLAB仿真软件设计各种FIR滤波器,以便对设计结果进行仿真和比较。
3、设计数字系统有多种方法,可以采用传统的数字系统设计方法,也可以采用使用硬件描述语言的数字系统设计方法。传统的设计方法不适合大规模系统的设计,所以就采用硬件描述语言的数字系统设计方法。这就要求学会自顶向下的系统设计方法、硬件描述语言Verilog HDL、综合工具、仿真工具ModelSim等。
4、采用CSD算法实现FIR数字滤波器,对CSD算法要有深刻的理解,并用Verilog HDL语言进行编程。最后用ModelSim对程序进行仿真分析。
1.4本课题应解决的主要问题
本课题主要是用Verilog HDL硬件描述语言设计出一种基于CSD架构的低通FIR滤波器,在ModelSim上进行代码的编写与仿真,最后用MATLAB对所设计的滤波器进行时域和频谱分析,以使达到设计要求。

 

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