基于Verilog实现一维数字信号处理算法(FIR滤波器).docVIP

广东工业大学研究生课程考试试卷封面 学院： 题号 分数 1 2 3 4 5 6 7 8 合计 平时成绩 总评成绩 开课单位： 专业： 姓名： 学号： 考试科目: 学生类别： 考试时间: 第 周星期 ( 年 月 日) 开课学期： 年秋季 任课教师： 说明：1.以上左栏学生填写,右栏老师填写; 2.学位课考试的答题均写在答题纸上,考查课若无课堂考试可不用答题纸，但仍应填写此页封面; 3.平时成绩根据任课教师所写的课程教学大纲规定评定； 4.任课教师评完分后从网上录入成绩，再打印成绩单一式两份连同试卷、答题纸交教务员保管（保管四年）。 1.设计内容 本设计是一个基于FPGA的一维数字信号处理算法的FIR的设计，设计使用Verilog语言编写FIR滤波器的模块，通过编译和综合，并通过MATLAB和modelsim仿真对比验证设计结果。 2.设计原理 有限冲击响应(FIR)滤波器和无限冲击响应(IIR)滤波器广泛应用于数字信号处理系统中。IIR数字滤波器方便简单,但它相位的线性,要采用全通网络进行相位校正。图象处理以及数据传输,都要求信道具有线性相位特性,而有限冲击响应(FIR)滤波器既具有严格的线性相位,又具有任意的幅度。 与此同时FIR滤波器还具有以下优点： (1)FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的, 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，因而滤波器性能稳定。 (2)只要经过一定的延时,任何非因果有限长序列都能变成因果的有限长序列,因而能用因果系统来实现。 (3)FIR滤波器由于单位冲击响应是有限长的,因而可用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现过滤信号,可大大提高运算效率,因此越来越受到广泛的重视。 如果的长度为N，则它的系统函数和差分方程一般具有如下形式： 根据差分方程直接画出FIR滤波器的结构，称为直接型结构。如图所示： 图2.1 FIR滤波器直接结构 FIR滤波器的特点：(1)系统的单位冲击响应h(n)在有限个n值处不为零。(2)系统函数H(z)在|z|0处收敛,极点全部在z=0处(稳定系统)。(3)结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,但有些结构中(例如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。 对线性时不变系统保持线性相位的条件是：单位脉冲响应为偶对称或奇对称。即： 为设计线性滤波器，应保证h(n)为对称的。 1）若N为偶数，其线性相位FIR滤波器的对称结构流图： 图2.2 若N为偶数线性相位FIR滤波器的对称结构流图 图中：“ +1 ” 对应偶对称情况，“ -1 ” 对应奇对称情况。当n为奇数时，最后一个支路断开。 2）若N为奇数，其线性相位FIR滤波器的对称结构流图： 图2.3 N为奇数线性相位FIR滤波器的对称结构流图 在本设计中，我们采用线性FIR低通滤波器，所采用的阶数N=8，所以是偶对称的，估采取图2.2的结构，其中“±1“取“＋1”。 3.设计思路 由上面的FIR滤波器的对称结构流图，可知要在FPGA上实现FIR滤波器，首先要确定滤波器的抽头系数h（n）。其系数的确定，我们可以通过两种办法来实现：第一种就是通过MATLAB编写FIR滤波器程序，然后直接导出抽头系数 “h（n）”；另外一种办法就是使用MATLAB自带的FDATOOL简便地设计一个FIR滤波器，然后导出系数。考虑到要更直观地描述FIR滤波器的设计，我采用了第一种方法，用编写MATLAB代码的方式设计一个FIR低通滤波器。 设计好滤波器后，接着就是准备一维数字信号（语音信号），通过滤波器的滤波，看能把语音信号中的高频的信号滤除，只剩下低频的信号，从而验证滤波器的性能。然后再把语音信号保存起来，以供后面验证用Verilog设计的FIR滤波器模块使用。这里面涉及到怎样读取音频文件的问题，这就需要了解音频文件的格式（.wav），每个音频文件都有文件头，这个文件头就包含了音频文件的很多像类似采样率这样的信息。文件头后就是具体的语音信号。 做好准备工作后，就可以在QUARTUSII里面编写Verilog代码了。由于是硬件描述语言，所以设计的思路很简单，就是通过把输入序列移位，然后首位对称相加再乘以抽头系数，然后把相乘结果再相加最后给输出。其中涉及的难点是FPGA对有符号小数的乘法处理部分。 在QUARTUSII编写好模块之后，就要用到modelsim来对设计进行仿真。对于仿真信号的输入，我们可以添加一个altera的romIP核来存放之前用MATLAB读取的语音信号，然后通过时钟的驱动一个一个输入到FIR滤波器模块，最后在modelsim