基于VHDL的FIR數(shù)字濾波器

1、本報告分兩部分：1 由matlab計算FIR數(shù)字濾波器的濾波系數(shù)；2 用VHDL語言設(shè)計邏輯電路，再通過QUARTUS II 軟件，將各個模塊的電路封裝成期間，在頂層設(shè)計中通過連線，完成整個系統(tǒng)。所有源程序在本文檔同一文件夾下的fir文件中。FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)計算。這里通過MATLAB的Fdatool軟件實現(xiàn)。輸入數(shù)據(jù)S(n)為9位，輸出y(n)為10位的低通濾波器數(shù)據(jù)：各個參數(shù)如下：Lilter Typer lowpass FIR Window kaiser階數(shù)：15，Beta=0.5,Fs=48kHz,Fc=10.8kHZ濾波類型為：直接型FIRFIR濾波器的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)FIR濾波

2、器的沖擊響應(yīng)濾波器系數(shù)對系數(shù)進行調(diào)整，整數(shù)化：Num = -0.0742 0.0234 0.1133 0.0117 -0.1758 -1.09770.3594 0.8281 0.8281 0.3594 0.0977 -0.1758 0.0117 0.1133 0.0234 -0.0742Num*(28)ans = Columns 1 through 10 -18.9952 5.9904 29.0048 2.9952 -45.0048 -281.0112 92.0064 211.9936 211.9936 92.0064 Columns 11 through 16 25.0112 -45.004

3、8 2.9952 29.0048 5.9904 -18.9952FIR數(shù)字濾波器的VHDL實現(xiàn)根據(jù)作業(yè)要求，S(n)為9位，y(n)為10位的低通濾波器。數(shù)據(jù)：-19,6,29,3,-45,-25,92,212,212,92,-25,-45,3,29,6,-19階數(shù)：15，Beta=0.5,Fs=48kHz,Fc=10.8kHZ 濾波類型為：直接型FIR FIR濾波器的原理圖設(shè)計如下： 設(shè)計原理：一 概要我的原理說明是根據(jù)上面原理圖的設(shè)計順序逐步進行的。1 寄存器（延時器）。 原理圖上標(biāo)有dff9的器件。輸入9位數(shù)據(jù)，通過dff9的D觸發(fā)寄存器，達到延時的作用。2 第一級加法器 數(shù)據(jù)通過add

4、9910,就是9位數(shù)字輸入，10位數(shù)字輸出加法器，完成第一級相加運算，因為本題是16階FIR數(shù)字濾波器，它的濾波系數(shù)有對稱的關(guān)系，所以采用上面的第一級加法器，達到簡化運算的效果。3 乘法器乘法器用來將數(shù)據(jù)乘以由matlab計算得到的濾波系數(shù)，本題的系數(shù)分別為：-19,6,29,3,-45,-25,92,212。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)。即：若系數(shù)符號為負(fù)，那么在下一級用減法器減去乘法器所得的數(shù)據(jù)。所有的乘法器為：mult19, mult mult 6, mult 29, mult 3, mult 45, mult 25, mult 92, mult 212。4

5、 第二級加，減法器第二級加法器主要有add,add,add。add就是說11位數(shù)據(jù)加14位數(shù)據(jù)輸出14位數(shù)據(jù)，說有的都是相同的命名規(guī)則。減法器的作用是反映乘法器的負(fù)號的，對于負(fù)的濾波系數(shù)，在此相當(dāng)于經(jīng)過減法器相減。5 第三級加，減法器和上一級大體相同的原理。6 輸出輸出通過add，將上一級得到的14位和17位數(shù)據(jù)相加，再拿出相加結(jié)果的高十位作為輸出。到此，整個FIR數(shù)字濾波器設(shè)計完畢，下面詳細(xì)說明各個部分的具體實現(xiàn)。二 詳細(xì)說明 我的說明是根據(jù)上面的概要逐一展開的。我的設(shè)計是先編寫各個功能的vhdl源文件，再生成功能模塊，最后在頂層用原理圖的設(shè)計方法連線，組成整個系統(tǒng)。1 寄存器（延時器） 設(shè)

6、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)。實現(xiàn)功能：在CP正跳沿前接受輸入信號，正跳沿時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，正跳沿后輸入即被封鎖。源文件：ENTITY dff9 IS PORT( clk : IN STD_LOGIC; clear : IN STD_LOGIC; Din : IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); Dout : OUT STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0) ); END dff9; ARCHITECTURE a OF dff9 IS BEGIN PROCESS(clk,clear) BEGIN IF clear

7、=1 THEN Dout=; ELSIF clear=0 THEN IF(clkEVENT AND clk=1) THEN Dout = Din; END IF; END IF; END PROCESS; END a;2 第一級加法器 實現(xiàn)兩個二進制數(shù)字的相加運算。當(dāng)?shù)竭_時鐘上升沿時，將兩數(shù)輸入，運算，輸出結(jié)果。源文件：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;ENTITY add9910 isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1,Din2 :in signed (8 dow

8、nto 0); Dout:out signed(9 downto 0);END add9910;ARCHITECTURE a of add9910 isSIGNAL s1: signed(9 downto 0);SIGNAL s2: signed(9 downto 0);BEGIN s1=(Din1(8)&Din1); s2=(Din2(8)&Din2);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=s1+s2;end if;end process;end a;3 乘法器功能：將數(shù)據(jù)乘以由matlab計算得到的濾波系數(shù)?？偣?/p>

9、有8個乘法器。源文件（以mult19為例）：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;USE ieee.std_logic_arith.all;ENTITY mult19 isPORT( clk : IN STD_LOGIC; Din : IN SIGNED (9 DOWNTO 0); Dout : OUT SIGNED (13 DOWNTO 0);END mult19;ARCHITECTURE a OF mult19 ISSIGNAL s1 : SIGNED (13 DOWNTO 0);SIGNAL s2 : SIGNED (10 DOWNTO 0);

10、SIGNAL s3 : SIGNED (13 DOWNTO 0);BEGINP1:process(Din)BEGINs1(13 DOWNTO 4)=Din;s1( 3 DOWNTO 0)=0000;s2(10 DOWNTO 1)=Din;s2(0)=0;if Din(9)=0 then s3=(0&s1(13 downto 1)+(0000&s2(10 DOWNTO 1)+(00000&Din(9 DOWNTO 1);else s3=(1&s1(13 downto 1)+(1111&s2(10 DOWNTO 1)+(11111&Din(9 DOWNTO 1);end if;end proces

11、s;P2: PROCESS(clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=s3;end if;END PROCESS;END a;4 第二級加，減法器 對于乘了濾波系數(shù)的數(shù)據(jù)，進行第二次的加和，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。源程序：減法器-subLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;ENTITY sub isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1 :in signed (13 downto 0);

12、Din2 :in signed (11 downto 0); Dout:out signed(13 downto 0);END sub;ARCHITECTURE a of sub isSIGNAL s1: signed(13 downto 0);BEGIN s1=(Din2(11)&Din2(11)&Din2);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=s1-Din1;end if;end process;end a;加法器- addLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE

13、 IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;ENTITY add isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1 :in signed (10 downto 0); Din2 :in signed (13 downto 0); Dout:out signed(13 downto 0);END add;ARCHITECTURE a of add isSIGNAL s1: signed(13 downto 0);BEGIN s1=(Din1(11)&Din1(11)&Din1(11)&Din1);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent

14、and clk=1 thenDout=s1+Din2;end if;end process;end a;還有add,add（略）5 第三級加，減法器功能同上： 加法器-add源代碼：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;ENTITY add isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1 :in signed (13 downto 0); Din2 :in signed (13 downto 0); Dout:out signed(14 downto 0);END add;AR

15、CHITECTURE a of add isSIGNAL s1: signed(14 downto 0);SIGNAL s2: signed(14 downto 0);BEGIN s1=(Din1(13)&Din1); s2=(Din1(13)&Din1);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=s1+s2;end if;end process;end a;減法器sub源代碼：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;EN

16、TITY sub isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1 :in signed (14 downto 0); Din2 :in signed (16 downto 0); Dout:out signed(16 downto 0);END sub;ARCHITECTURE a of sub isSIGNAL s1: signed(16 downto 0);BEGIN s1=(Din1(14)&Din1(14)&Din1);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=Din2-s1;end if;end

17、 process;end a;6 輸出級輸出通過一個加法器add完成10位數(shù)據(jù)的輸出，通過一個15位和一個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。源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;ENTITY add isPORT(clk : in STD_LOGIC; Din1:in signed (14 downto 0); Din2:in signed (16 downto 0); Dout:out signed(9 downto 0);END add;ARCHITECTURE a

18、of add isSIGNAL s1: signed(9 downto 0);SIGNAL s2: signed(9 downto 0);BEGIN s1=(Din1(13)&Din1(13)&Din1(14 downto 7); s2=(Din2(16 downto 7);PROCESS(Din1,Din2,clk)BEGINif clkevent and clk=1 thenDout=s1+s2;end if;end process;end a;三 輸出數(shù)據(jù)分析任意輸入一組信號：Din=96，0，0，0，48，0，0，0，96，0，0，0，48，0，0，0，96，0，0，0，48，0，0，0，96，0，0，0，48，0，0，0由quartus II仿真結(jié)果如下：整理數(shù)據(jù)如下：輸出Dout=21 2 -17 -10 44 80 71 29 28 24 24 28 39 7