基于FPGA的FIR滤波器设计与实现毕业论文模板-机电工程学院-本部.doc
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1、 (2015届)毕业设计(论文)题目:基于FPGA的FIR滤波器设计与实现 学院: 机电工程学院 专业: 电子信息工程班级: 电信112学号: 201133285240姓名: 王祥祥指导教师: 谢东福教务处制 年月日III诚 信 声 明我声明,所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺,论文中的所有内容均真实、可信。 论文作者签名: 签名日期: 年 月 日授 权 声 明 学校有权保留送论文交的原件,允许论文被查阅和借阅,学
2、校可以公布论文的全部或部分内容,可以影印、缩印或其他复制手段保存论文,学校必须严格按照授权对论文进行处理,不得超越授权对论文进行任意处置。论文作者签名: 签名日期: 年 月 日题目基于FPGA的FIR滤波器设计与实现摘 要在现代电子系统中,FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信弓处理的基本模块之一。在工程实践中,往往要求刑信号处理要有实时性和灵活性,而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这两方而的要求。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展,使用FPGA实现FIR滤波器,既具有实时性,又兼顾了一定的灵活性,越来越多的电子工程师采用FPGA器件来实现FIR滤波器。本文在研究
3、了大量国内外技术文献的基础上,首先,总结了FIR滤波器发展的现状与水平,认真分析了FIR数字滤波器的基本结构和设计原理;其次将硬件描述语言的功能特点作了归纳,对硬件描述语言的基本构成作了阐述,并说明了应用VHDL的EDA设计流程。最后根据要求对低通、带通、高通滤波器进行设计、仿真验证和综合,具体实现中,采用硬件描述语言在xilinx公司出品的ise平台上进行设计和仿真,和采用matlab软件进行验证。,结果表明:该FIR滤波器的工作特性达到预期要求。(300字左右)关键词:fpga,fir滤波器,ise,硬件描述语言,matlab(3-5个)(行距设置为1.25倍多倍行距)TitleAbstr
4、actThis paper Keywords: Jiaxing University,Mechanical & Electrical Engineering College, undergraduate(行距设置为1.25倍多倍行距)目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1课题的来源11.2课题的意义11.3激光淬火技术国内外发展现状11.3.1 的研究现状11.3.2 的研究现状11.3.2 的研究现状11.4课题研究的主要内容12设备方案设计与总体设计22.1设备的方案设计22.2方案评价22.3设备的总体设计23设计计算和校核43.1设备动力系统计算和校核43.2 传动系统的
5、计算与校核43.2.1 的计算与校核43.2.2 的计算与校核43.3设备主轴的设计与校核43.3.1 的设计与校核43.3.2 的设计与校核53.4轴承座的选择53.5螺旋带的设计计算53.6焊接组件的设计计算53.7支承架的设计计算53.8其它零部件的计算与校核53.8.1 的计算与校核53.8.2 的计算与校核53.9总装图及工作原理54设计说明64.1的说明64.2的说明6结论7参考文献8致谢9附录10附录图1 焊接底板A10附录图2 焊接底板B10附录图3 焊接底板C10附录图4 焊接组件10附录图5 搅拌轴10附录图6 箱体10附录图7 支架10151 绪论1.1课题的来源滤波器的
6、概念最早是由美国的G Campell和德国的K Wagner于1915年首先提出。从那时至今,滤波器的理论和技术一直在不断地飞速发展,它在各种电子设备中都获得了广泛应用。最早出现的LC滤波器,它由分立的电阻、电感、电容等无源元件构成。其优点是噪声低,不用电源,Q值一般为数百,但在低频应用时,电感、电容的体积大,损耗多,重量重,价格高,易引入干扰,而且这种滤波器也没法集成。其后,随着半导体技术的发展,通信设备的日益小型化,各种无感滤波器相继问世,1938年的Scott有关选择放大器的工作,1965年,单片集成运放的问世,开创了有源RC滤波器的时代。上世纪七十年代初,薄模混合集成电路的发展,使用有
7、源RC滤波器实现低成本电路的预见成为现实。上世纪七十年代中期,混合集成电路进一步缩小尺寸获得成功,集成有源RC滤波器技术趋于成熟从原则上讲,有源RC滤波器是可以集成的,而且也有商品,但从单片集成的观点来看,这种滤波器并不令人满意。随着航空、航大以及通信技术和超人规模集成电路的发展,对系统的集成提出了更高要求,人们开始研究取代电阻的方法。1977年,人们用开关电容模拟电阻进而完全取代电阻,构成单片全集成开关电容SC(Switched Capacitor)滤波器获得成功。这是集成滤波器的单片全集成的首例报道,是滤波器学科史上的重要突破。从此,滤波器进入了单片全集成的新时代。上世纪八十年代以来,滤波
8、器学科进入了全集成系统发展的辉煌时代。1.2课题的意义数字滤波在语音和图像处理、HDTV、模式识别、谱分析等应用中经常用到。与模拟滤波相比,数字滤波可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求,可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限长冲激响应(FIR)滤波器,由于FIR 系统只有零点、系统稳定,便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用。随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列FPGA为代表的ASIC专用集成电路器件得到了迅速普及和发展,器件集成度和速度都在高速增长。FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又
9、具有可编程逻辑器件的可编程特性,可以减少系统设计和维护的风险,降低产品成本,缩短设计周期7。传统的FIR数字滤波器多采用诸如TMS320CXX系列的专用DSP芯片,根据输入采样的移位相乘累加编写软件,利用软硬件的相互结合完成滤波器的设计。但DSP芯片是基于哈佛体系结构的,它的顺序处理方式限制了数据的处理速度和吞吐量。而FPGA有着规整的内部逻辑块整列和丰富的连线资源,特别适合用于细粒度和高并行度结构的FIR滤波器的实现,相对于串行运算主导的通用DSP芯片来说,并行性和可扩展性都更好。由于在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势,基于FPGA的数字信号处理器已广泛应用于图像、视频和无线通信领域。1
10、.3信号处理技术国内外发展现状数字信号处理可以采用两种方法实现:软件实现和硬件实现。软件实现是在通用计算机上执行数字信号处理程序。这种方法灵活,但实现方法较慢,一般不能实时处理,主要用于教学和科研。国内外的研究机构、公司己经推出了不同语言的信号处理软件包。硬件主要采用MCU(单片机)、DSP(数字信号处理器)和ASIC(专用集成电路)来实现其中,单片机速度较慢;ASIC虽然性能良好。但通常是为专门限定的某一或某几个特定功能而漫计,灵活性差;软件编程的通用数字信号处理Digital Signal Processor)芯片(如TMS320CXX)是目前应用较广的一种方法。DSP处理器实质上是一种适
11、用于数字信号处理的单片微处理器,其主要特点是灵活性大,适应性强,具有可编程功能,且处理速度较高。我国在DSP技术起步较早,产品的研究开发成绩斐然,基本上与国外同步发展,而在FPGA(Field Programmable Gate Array)方面起步较晚。全国有100来所高等院校从事DSP&FPGA的教学和科研,除了一部分DSP芯片需要从国外进口外,在信号处理理论和算法方面。与国外处于同等水平而在FPGA信号处理和系统方面,有了喜人的进展。FPGA是一种将门阵列的通用结构与PLD的现场可编程特性结合于一体的新型器件,具有集成度高、通用性好、设计灵活、产品上市快捷等多方面的优点鉴于FPGA是特定
12、用途的集成电路,因此FPGA通常被认为是一种可编程的专用集成电路。FPGA最早由美国Xilinx公司于1985年推出,其典型产品如XC4000和XC5000系列均采用CMOS SRAM工艺制造,可重复编程,并能实现芯片功能的动态重构。FPGA在问世的前十年里,其单片可用门数以年平均42的速率增长,现己超过100万门。正如DSP芯片在20年前出现时的情形一样,如今FPGA正处于革命性的数字信号处理技术的前沿。过去,前端的数字信号处理算法如FFT,都是利用定制ASIC或者DSP芯片构建的,但现在大多数可以用FPGA所替代。现在的FPGA不仅提供了上百万门的可编程逻辑单元,还专门为实现数字信号处理算
13、法提供了阵列乘法器、片内双口RAM以及应用于嵌入式领域的硬核PowerPC处理单元。FPGA与DSP芯片相比,最明显的优势在于其实现数字信号处理算法的并行性。DSP芯片一般只有几个算术逻辑单元(ALU)和乘法单元,实现一个数字信号处理算法一般只能时分复用址刖和乘法单元。这种按照时间顺序执行的实现方式大大限制了数据的吞吐量。而FPGA具有大量的可编程逻辑单元,丰富的布线资源和灵活的结构,支持任何层次的并行处理,可以在性能与设计规模之间取得最佳的平衡。FPGA在实现有些数字信号处理算法的性能上高于业界最快的DSP芯片。随着电子技术的发展,高速超大规模的现场可编程门阵列的出现,采用硬件描述语言HDL
14、的FPGA具有更为灵活的可编程逻辑特性。目前,已经生产出集成度高达上千万门片的FPGA,其内部时钟速度可达数百兆,功耗低、芯片价格低、开发成本低、可在线编程、便于嵌入式系统设计等优点,使其正处于数字信号处理技术领域革命性的前沿。是当前电子工程师广泛使用的一种芯片,本论文正是利用FPGA的优越性,研究基于FPGA的FIR数字滤波器的设计。1.4本文主要研究内容及工作安排本文首先对FPGA的发展现状进行了简单的介绍,又阐述了关于数字滤波技术的发展前景。紧接着对数字滤波器原理进行了分析,学习和研究了FIR数字滤波器的性能指标和设计方法,对不同的设计方案进行了分析比较。最后采用了在ise开发环境下用硬
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