基于matlab和FPGA联合仿真的FIR低通滤波器设计报告.pdfVIP

FIR 低通滤波器设计报告 1. 设计内容 本设计是基于 FPGA 的一个 FIR 低通滤波器设计，给定一段有高频干扰的信号，要求使 用 matlab 设计出一个低通滤波器滤除其干扰频率，并取出 10000 到 10160 点进行时频分析。 然后使用 verilog 语言编写出滤波器，联合 modelsim 进行编译仿真，并将结果与 matlab 结果进行对比。 2. 设计原理 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。如果h(n)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： N1  n H(z) h(n)z n0 N1  y(n) h(m)x(nm) m0 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 FIR 滤波器直接结构 FIR 滤波器的特点：单位脉冲响应序列为有限个；可快速实现；可得到线性相位；滤波 器阶数较高。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 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 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 采取图的结构，其中“±1 “取“＋1”。 3. 设计思路 首先要用 matlab 对给定的信号进行时频分析来确定干扰信号的中心频率，然后再设计 出相应的数字滤波器进行滤波，最后要在FPGA 上实现 FIR 滤波器。首先要确定滤波器的抽 头系数。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 采用了第二种方法，用 fdatool 设计滤波器并导出参数。 设计好滤波器后，接着要用 matlab 对给定的信号进行采样，保存，量化，导出以供 FPGA 的FIR 滤波器模块使用。 做好准备工作后，就可以在 QUARTUSII 里面编写 Verilo 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，我们直接使用系统函数$readmemh()来读取matlab产生的信号采样值，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 中显示滤波器的输出结果。 验证的最后一步，就是要把modelsim输出的仿真结果用matlab进行绘图，和之前matlab 程序的输出结果进行比较，从而验证滤波器的设计是否成功。 4. 设计过程 1）对信号进行时频分析 语音信号是非平稳的随机过程，频率会随着时间而变化。在语音信号处理研究领域， 通常用短时间的傅里叶变换（STF