FIR數(shù)字濾波器的設計開題報告.doc

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湖南科技大學2014屆畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 FIR數(shù)字濾波器的設計 作者姓名 學號 所學專業(yè) 一、設計的要求、意義，同類策劃工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題 項目來源與設計要求： . 項目來源： 隨著音頻信號處理的發(fā)展以及各種家用音頻處理器的誕生，人們對音質(zhì)和處理速度的要求越變越高。而人耳能聽到的聲音頻率范圍為 20 Hz-20 000 Hz 。語音信號頻率最高為3 400Hz，大多數(shù)的語音信號頻率都在低頻區(qū)，如果語音信號中有高頻噪聲，播放此音頻文件可以聽到正常的語音中夾雜有刺耳的鳴叫聲。本設計就是針對音頻設備的濾波問題，提出了基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn)。 設計要求： 設計一個可以消除語音信號中高頻噪聲的 FIR 低通濾波器，它的性能指標如下： 1）信號的采樣頻率FS ：22050HZ； 2）通帶邊界頻率Pf ：3859Hz； 3）阻帶邊界頻率Sf ：6615Hz； 4）阻帶衰減不小于-50dB。 同類設計工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在的問題： 在國內(nèi)外的研究中，設計FIR濾波器所涉及的乘法運算方式有：并行乘法、位串行乘法和采用分布式算法的乘法。 并行乘法雖然速度快，同時占用的硬件資源極大。如果濾波器的階數(shù)增加，乘法器位數(shù)也將變大，硬件規(guī)模將變得十分龐大。 位串行乘法器的實現(xiàn)方法主要是通過對乘法運算進行分解，用加法器來完成乘法的功能，也即無乘法操作的乘法器。但由于一個8*8位的乘法器輸出為16位，為了得到正確的16位結果，串行輸入的二進制補碼數(shù)要進行符號位擴展，即將串行輸入的8位二進制補碼數(shù)前補8個0(對正數(shù))或8個1(對負數(shù))后才輸入乘法器。如果每一位的運算需要一個時鐘周期的話，這個乘法器需要16個時鐘周期才能計算出正確結果，這就意味著此類乘法器要完全計算出結果的延遲必將會很大。所以位串行乘法器雖然使得乘法器的硬件規(guī)模達到了最省，但是由于是串行運算，使得它的運算周期過長，速度與規(guī)模折衷考慮時不是最優(yōu)的。 分布式算法(Distributed Arithmetic，DA)的主要特點是巧妙的利用ROM查找表將固定系數(shù)的乘累加(Multiply—accumulator，MAC)運算轉化為查表操作，它與傳統(tǒng)算法實 現(xiàn)乘累加運算的不同在于執(zhí)行部分積運算的先后順序不同。分布式算法在完成乘累加功能時是通過將各輸入數(shù)據(jù)每一對應位產(chǎn)生的部分積預先進行相加形成相應的部分積，然后再對各個部分積累加形成最終結果，而傳統(tǒng)算法是等到所有乘積已經(jīng)產(chǎn)生之后再來相加來完成乘累加運算的。就小位寬來說，DA算法設計的FIR濾波器的速度可以顯著的超過基于MAC的設計。相對于前兩種方法，DA算法既可以全并行實現(xiàn)，又可以全串行實現(xiàn)，還可以串并行結合實現(xiàn)，可以在硬件規(guī)模和濾波器速度之間作適當?shù)恼壑?，是現(xiàn)在被 研究的主要方法。 FIR數(shù)字濾波器的實現(xiàn)，大體可以分為軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)方法兩種。軟件實現(xiàn)方法即是在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。利用計算機的存儲器、運算器和控制器把濾波所要完成的運算編成程序通過計算機來執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的。國內(nèi)外的研究機構、公司已經(jīng)推出了不同語一言的信號濾波處理軟件包。但是這種方法速度慢，難以對信號進行實時處理，雖然可以用快速傅立葉變換算法來加快計算速度，但要達到實時處理要付出很高的代價，因而多用于教學與科研。 硬件實現(xiàn)即是設計專門的數(shù)字濾波硬件，采用硬件實現(xiàn)的方法一般都比采用軟件實現(xiàn)方法要困難得多，目前主要采用的方法有兩種：一種是采用DSP(Digital Signal Processing)處理器來實現(xiàn)，另一種是采用固定功能的專用信號處理器。二者相比，固定功能的DSP專用器件可以提供很好的實時性能，但其靈活性差，研發(fā)周期長，難度也比較大：DSP處理器的成本低且速度較快，靈活性好，但由于軟件算法在執(zhí)行時的順序性，限制了它在高速和實時系統(tǒng)中的應用。在一些高速應用中，系統(tǒng)性能的要求不斷增長，而DSP性能的提高卻落后于需求的增長。 現(xiàn)在，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷閿?shù)字信號處理提供了一種新的實現(xiàn)方案。分布式算法可以很好地在FPGA(Field Programmable Gate Array)中實現(xiàn)，然而卻不能有效的在DSP處理囂中實現(xiàn)，所以采用FPGA使用分布式算法實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器有著很好的發(fā)展前景。 采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA束實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器，既兼顧ASIC器件(固定功能I)St，專用芯片)的實時性，又具有DSP處理器的靈活性。FPGA和DSP技術的結合能夠更進一步提高集成度、加快速度和擴展系統(tǒng)功能。用FPGA設計的產(chǎn)品還具有體積小、迷度快、重量輕、功耗低、可靠性高、仿制困難、上批量成本低等優(yōu)點。但是，DA算法中的查找表的規(guī)模隨著FIR數(shù)字濾波器階數(shù)的增加呈指數(shù)增長，而且隨著濾波器系數(shù)的位數(shù)的增加，查找表的規(guī)模也會增加，這將極大的增加設計的硬件規(guī)模。所以如何減小查找表的規(guī)模成為尚待解決的問題。 二、設計目標、內(nèi)容和擬解決的關鍵問題（具體化） 設計目標：設計一個可以消除語音信號中高頻噪聲的FIR低通數(shù)字濾波器 設計內(nèi)容： 1） 設計一個可以消除語音信號中高頻噪聲的 FIR 低通數(shù)字濾波器，它的信號采樣頻率FS為22050HZ，通帶邊界頻率Pf 為3859Hz、阻帶邊界頻率Sf 為6615Hz、阻帶衰減不小于-50dB。 2） 利用Matlab對FIR數(shù)字低通濾波器進行軟件仿真； 3） 利用分布式算法（Distributed Arithmetic,DA）對FIR數(shù)字低通濾波器進行硬件實現(xiàn)； 擬解決的關鍵問題： ⑴確定FIR數(shù)字低通濾波器的各個性能指標； ⑵利用Matlab編程仿真； ⑶利用分布式算法（Distributed Arithmetic,DA）進行硬件實現(xiàn)； 三、特色與創(chuàng)新之處 1）采用Matlab/Simulink進行設計和仿真，通過以上的過程導出一定性能的FIR濾波器頻率響應與抽頭系數(shù)，然后用Verilog HDL語言設計和QUARTUSⅡ仿真FIR低通數(shù)字濾波器，實現(xiàn)用軟件描述硬件的動作及功能，應用軟件來實現(xiàn)數(shù)字濾波器的功能和時序仿真。 2）采用FPGA進行硬件實現(xiàn)。 四、擬采取的研究方法、步驟、技術路線 擬采取的研究方法：Matlab軟件仿真、分布式算法； 主要步驟： 1）制定技術指標； 2）進行Matlab軟件仿真； 3）用FPGA進行硬件實現(xiàn)； 五、使用的主要儀器設備、試劑和藥品 本設計使用了Matlab軟件、FPGA器件、Verilog HDL語言以及QUARTUSⅡ。 六、參考文獻： [1]趙雅興.FPGA原理、設計與應用[M].天津：天津大學出版社，1999. [2]侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)學邏輯電路設計[M].西安：西安電子科技大學 出版社，1999. [3]王金明，張雄偉.FIR濾波器的設計與實現(xiàn)[J]，電視技術，2003. [4]劉凌.數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn).北京：清華大學出版社.2006. [5]Volnei A.Pedroni. VHDL 數(shù)字電路設計教程[M]，電子工業(yè)出版社，2009. [6]張志涌，徐彥琴等編著.MATLAB教程-基于6.X版本[M] 北京航空航天大學出版社. [7]曾繁泰，陳美金，VHDL程序設計[M].北京：清華大學出版社，2000. [8]賴聯(lián)有，吳偉力，許偉堅.基于FPGA的FIR濾波器設計[J].集美大學學報(自然科學版) .200611、(4)：347～350. [9]劉舒帆，費諾，陸輝.數(shù)字信號處理實驗（MATLAB版）.西安：西安電子科技大學出版社，2008. [10]MATLAB user’s Guide.The Mathworks.Inc.1995. 注： 1、開題報告是本科生畢業(yè)設計（論文）的一個重要組成部分。學生應根據(jù)畢業(yè)設計（論文）任務書的要求和文獻調(diào)研結果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。 2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著） A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。 B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。 3、表中各項可加附頁。