王建彬　李響　何東鋼

摘要：以FIR數(shù)字濾波器的基本理論為依據(jù)，程序設(shè)計部分設(shè)計濾波器電路中的寄存器（延時器）、第一級加法器、乘法器、第二級加減法器、輸出等多個單元器件模塊。采用模塊化的自頂向下的設(shè)計思想，對各個功能模塊采用VHDL語言的描述方法，VHDL程序設(shè)計代碼在Quartus II 的集成開發(fā)環(huán)境下使用，并且利用其內(nèi)部的仿真器對設(shè)計進行了仿真和驗證。

關(guān)鍵詞：FIR 數(shù)字濾波器 VHDL語言 Quartus

中圖分類號：TN713.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0195-02

信號處理廣泛應(yīng)用在通信、控制等領(lǐng)域，對電子、信息科學(xué)等的發(fā)展有巨大的影響。信號處理分為模擬信號和數(shù)字信號處理系統(tǒng)。數(shù)字信號處理中一個非常重要的應(yīng)用技術(shù)就是數(shù)字濾波[1]。數(shù)字濾波器是根據(jù)實驗設(shè)計好的程序，將一組數(shù)字序列輸入通過運算后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M數(shù)字序列的輸出，信號形式和內(nèi)容的改變，達到符合技術(shù)指標(biāo)的信號加工或濾波要求。由于VHDL語言是一種標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，具有設(shè)計方式多樣、強大的硬件描述能力、很強的移植能力、設(shè)計描述與器件無關(guān)等很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點[2]。以FIR低通數(shù)字濾波器的設(shè)計為例，按照設(shè)計原理，在數(shù)字邏輯設(shè)計的過程和方法中使用VHDL硬件描述語言，編寫相應(yīng)代碼在Quartus II的集成開發(fā)環(huán)境下運行，并利用其內(nèi)部的仿真器對設(shè)計做脈沖響應(yīng)仿真和驗證。

1 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計原理

FIR數(shù)字濾波器是一個線性時的不變系統(tǒng)，長度為M階因果有限沖激響應(yīng)濾波器可以用傳輸函數(shù)H（W）描述：

H（W）=

有限沖激響應(yīng)濾波器在時域中的輸入輸出關(guān)系：

y[n]=x[n]*h[W]=

其中x[n]和y[n]分別是輸入和輸出序列[3]。

2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計原理

設(shè)計一個線性相應(yīng)的FIR 16階初始h（0）=0的低通數(shù)字濾波器，采樣頻率為100 khz，截至頻率為10khz，序列位寬為輸入輸出10位。整個設(shè)計分為程序設(shè)計和原理設(shè)計兩部分。其中程序設(shè)計部分設(shè)計濾波器電路中的寄存器（延時器）、第一級加法器、乘法器、第二級加減法器、輸出等單元器件模塊[4]。

2.1 寄存器（延時器）

如圖1所示，設(shè)計中用輸入9位數(shù)據(jù)，通過dff9的觸發(fā)寄存器實現(xiàn)寄存一組9位的二進制數(shù)據(jù)，VHDL語言實現(xiàn)寄存功能。

設(shè)計中用D觸發(fā)器組成寄存器，實現(xiàn)寄存功能。這里用來寄存一組9位的二進制數(shù)據(jù)。

2.2 第一級加法器

如圖2所示，9位數(shù)字輸入和10位數(shù)字輸出數(shù)據(jù)通過add9910構(gòu)成加法器，實現(xiàn)兩個二進制數(shù)字的相加運算。

2.3 乘法器

如圖3所示，乘法器用來將數(shù)據(jù)乘以由Matlab計算得到的濾波系數(shù)，總共有8個乘法器。在乘法器設(shè)計時暫時沒有考慮符號，符號問題由下面的減法器實現(xiàn)。

2.4 第二級加減法器

對于乘了濾波系數(shù)的數(shù)據(jù)，進行第二次的加，如圖4所示。由于上面有的濾波系數(shù)是負(fù)的，所以這里用減法器對上一面的負(fù)系數(shù)做減法運算，如圖5所示。

2.5 輸出

如圖6所示，輸出通過一個加法器add151710完成10位數(shù)據(jù)的輸出，通過一個15位與一個17位數(shù)據(jù)相加得到的數(shù)據(jù)取高10為作為最終結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

用VHDL語言實現(xiàn)的單元器件在仿真實驗中構(gòu)成元器件，按照原理圖連接的濾波器件電路在Quartus II 的集成開發(fā)環(huán)境下完成[5]。

4 仿真結(jié)果驗證

由FIR數(shù)字濾波器的公式[6]：

y（m）==

利用Matlab計算出FIR數(shù)字濾波器的卷積y[m]的理論值和仿真器仿真得到輸出結(jié)果y[m]對比，見表1所示。

FIR數(shù)字濾波器的卷積y[m]的理論值和仿真器仿真得到輸出結(jié)果y[m]比較，結(jié)果完全吻合。數(shù)字濾波器設(shè)計符合設(shè)計要求。

5 結(jié)語

基于VHDL的FIR低通數(shù)字濾波器的性能優(yōu)劣對信號處理的結(jié)果有重要的影響。本文對FIR數(shù)字低通濾波器進行了研究，利用VHDL對FIR數(shù)字濾波器劃分的多個模塊進行模塊的設(shè)計，并完成系統(tǒng)設(shè)計。按照設(shè)計原理，在數(shù)字邏輯設(shè)計的過程和方法中使用VHDL硬件描述語言，編寫相應(yīng)代碼在Quartus II的集成開發(fā)環(huán)境下運行，并利用其內(nèi)部的仿真器對設(shè)計做脈沖響應(yīng)仿真和驗證。

參考文獻

[1]胡廣書.數(shù)字信號處理理論算法與實現(xiàn)[M].清華大學(xué)出版社，2003.

[2]佩德羅尼.VHDL數(shù)字電路設(shè)計教程[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[3]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[4]張學(xué)敏.基于MATLAB的FIR帶通濾波器的設(shè)計與仿真[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（08）.

[5]蔡楠.基于VHDL語言的fir濾波器軟件設(shè)計[J].科技信息，2010（34）.

[6]羅時書.基于VHDL語言的16階FIR濾波器設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010（36）.