摘 要

滤波器作为一种处理工具被广泛应用于信号处理和图像处理领域。在数字通信应用中：如信道均衡、频率渠道化等对滤波器都有较高要求。随着社会的需求的不断提高，对于滤波器的精度要求也越来越高，在数字滤波器的实现中，滤波器的阶数越高精度就越好。

本次设计要求是基于FPGA的FIR低通滤波器，要求采用CycloneV系列5CSEMA5F31C6型号的FPGA芯片，实现一个40阶的FIR低通滤波器，截止频率为25kHz。通过VHDL编程语言在Quartus II的开发环境中实现FIR滤波器的各模块仿真验证。

本次滤波器的设计需要在MATLAB数学学习软件设置一个滤波器得到输入信号，然后在FPGA现场可编程门阵列中进行滤波功能并输出信号。本次设计使用模块话设计，整个滤波器由延时器、乘法器和加法器组成，使用直接型的算法结构简洁明了。通过对于滤波器各个模块的仿真以及最后的滤波输出可以验证该低通滤波器的截止频率在25kHz，符合设计要求。

关键词:低通；滤波器；MATLAB；FPGA

ABSTRACT

Filter as a processing tool is widely used in the field of signal processing and image processing. In digital communication applications: such as channel equalization, frequency channel and so on the filter has a higher demand. With the increasing demand of society, the accuracy requirements of the filter are getting higher and higher. In the realization of the digital filter, the higher the accuracy of the filter, the better the accuracy.

This design requirement is based on FOGA FIR low-pass filter, requires the use of CycloneV series 5CSEMA5F31C6 model FPGA chip, to achieve a 40-order FIR low-pass filter, cut-off frequency of 25kHz. Through the VHDL programming language in the Quartus II development environment to achieve the FIR filter simulation of the module.

The design of this filter requires a MATLAB filter to set up a filter to get the input signal, and then in the FPGA field programmable gate array filter function and output signal. This design uses the module design, the entire filter by the delay, multiplier and adder composition, the use of direct-type algorithm structure simple and clear. The cutoff frequency of the low-pass filter is verified at 25 kHz by the simulation of each module of the filter and the final filter output to meet the design requirements.

Keywords:Low pass; Filter; MATLAB; FPGA

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文研究内容及组织结构 3

2 滤波器设计软件 4

2.1 MATLAB软件 4

2.2 FPGA编程软件QuartusⅡ 5

2.3 VHDL编程语言 6

3 数字滤波器的实现 9

3.1 数字滤波器 10

3.1.1 数字滤波器的优点 10

3.1.2 IIR与FIR滤波器的区别 11

3.2 数字滤波器的原理 11

3.3 滤波器整体框图设计 12

3.4 延时器 13

3.5 乘法器 14

3.6 加法器 15

4 FIR低通滤波器性能测试 17

4.1 单频信号的仿真结果 18

4.2 两个单频信号的组合信号的仿真结果 19

5 设计总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 23

1 绪论

1.1 研究背景

随着当代社会的不断进步和发展，人们在生活和日常工作当中充满了大量的信号，涉及到各个领域，其中包括了电的，热的，机械的，磁场的，光的，声的及生物的等各方面。而这些不同的信号通常混杂在一起之中，因此需要从中提取生活或工作中所需要的特殊信号则显得尤为关键。通常人们按照信号被处理进行分类，信号的处理大抵能够划分为数字信号的处理和模拟信号的处理这两类，相对应的处理系统同样可以称之为数字信号处理系统和模拟信号处理系统。数字信号在对系统的温度变更以及工艺变换等方面比模拟信号更加的稳定，因此在数字信号表示中，往往就能够利用改变信号的幅值大小来有效地保证信号的准确性，同样，相较于将有效信号和无效噪声同时进行放大的处理的模拟信号技术，数字信号的处理技术能够在提取有效信号的同时滤除掉其他无效信号或者干扰信号^【1】。

在数字信号处理这门学科中，数字滤波器是一个比较经典的研究项目。数字滤波器可以用来滤除某些不符合要求的频率信号，筛选出所要的特殊频率的信号，所以在现实生活中数字滤波器有着其特殊的意义及作用。而在数字滤波器之中FIR滤波器也就是常说的有限脉冲响应滤波器因为具有精准的线性相位并且由于FIR滤波器所具有的优良稳定性，在现代通信领域以及信号处理等方面具有广泛的应用。因为其重要性所以数字滤波器的好坏能够对相关的众多工程技术领域产生很大的影响，所以一个比较好的数字滤波器能够有效的推动众多的工程技术领域改造和学科发展。所以对于数字滤波器的工作原理，硬件结构以及实现方法进行研究具有一定的意义。

1.2 研究的目的及意义