用VHDL语言设计基于FPGA器件的高采样率FIR滤波器
摘要
硬件描述语言(VHDL)是数字系统高层设计的核心，是实现数字系统设计新方法的关键技术之一。随着可编程逻辑器件在速度和集成度方面的飞速发展，越来越多的数字信号处理系统采用可编程逻辑器件来实现。FIR数字滤波器在数字信号处理系统中应用非常普遍，常被用来对原始(或输入)样本数据进行消除高频、抑制噪声等处理以产生所需的输出。
本文正是围绕硬件描述语言在数字硬件系统设计中的应用来展开的。首先从传统的数字硬件系统设计方法与采用硬件描述语言的数字硬件系统设计方法的特点出发，介绍了EDA发展的过程、VHDL语言特点及ALTERA的FLEX10K的结构特点。重点介绍了在数字算法设计和实现中基于ALTERA公司的FPGA器件四输入查找表结构的FIR滤波器流水线设计技术，和结合先进的EDA软件进行高效设计的方法和途径，给出了设计的仿真结果。该设计能满足高采样率的要求，设计效率高，对FPGA硬件资源的利用高效合理。而且文中提到的基于流水线技术的算法分解方法可推广应用到其它需要高速数字算法实现的领域中，从而充分挖掘和利用FPGA的高速特性。
各章内容安排如下：
第一章：阐述课题的主要内容和设计方案。
第二章：对传统的数字硬件系统设计方法和以采用硬件描述语言的数字硬件系统设计方法进行比较，指出采用硬件描述语言设计数字硬件系统的优势。
第三章：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和综合技术作了详细的阐述，以及说明了应用VHDL的EDA设计流程。
第四章：在说明基于EDA工具的CPLD／FPGA开发流程的基础上，对ALTERA公司的FLEX10K系列的结构特点进行了详细的介绍。
第五章：基于ALTERA公司FPGA器件，利用硬件描述语言以自顶向下的方法，对有限脉冲响应(FIR)数字滤波器采用流水线技术进行了设计，满足了高采样率环境的需要。在快速乘法器中采用查找表的方法，以提高工作速度。在快速加法器中采用流水线技术，以提高采样率。着重叙述了利用VHDL设计FIR滤波器的详细过程，给出了各模块的具体程序和仿真图。
VHDL is considered as a core of digital system design and a key technique of implement digital systems design. Along with a very fast speed develop of PLD in speed and integration degree, increasing DSP implement with PLD. FIR digital filter often apply to dispel high frequency and restrain noises for originality stylebook data in DSP. Require of DSP in real time and fast speed is at a high pitch. This paper is arranged around the apply of VHDL in digital system design. We analyze the way of digital system design traditionary and using VHDL, and introduce the development of EDA the characteristic of VHDL and FLEX 1 OK. Pipelining design of FIR filters in digital algorithm design and implementation is described based on 4-input look-up table and pipelining design in FPGA's.The algorithm decomposing based on the pipelining technique in the work can be used in other circumstances where high speed algorithms are needed.
The detailed contents of the paper are as following:
In chapter 1: The detailed contents of the paper and the design of project are introduced.
In chapter 2: We analyze the way of digital system design traditionary and using VHDL, and introduce the development of EDA.
In chapter 3: We introduce the characteristic of VHDL , and EDA design flow with VHDL.
In chapter 4: We analyze the advantage using PLD in system design and the characteristic of FLEX 1 OK.
In chapter 5:It is the main section of the paper.With the method of top_down, a FIR filter architecture is implemented with pipelining design. The design is efficient and can satisfy the demand for high sampling rate. Look-up table and pipelining design are use to improve the speed of FIR filters. The particular process of implementation depictioned, and gived out the result of simulation.
本文正是围绕硬件描述语言在数字硬件系统设计中的应用来展开的。首先从传统的数字硬件系统设计方法与采用硬件描述语言的数字硬件系统设计方法的特点出发，介绍了EDA发展的过程、VHDL语言特点及ALTERA的FLEX10K的结构特点。重点介绍了在数字算法设计和实现中基于ALTERA公司的FPGA器件四输入查找表结构的FIR滤波器流水线设计技术，和结合先进的EDA软件进行高效设计的方法和途径，给出了设计的仿真结果。该设计能满足高采样率的要求，设计效率高，对FPGA硬件资源的利用高效合理。而且文中提到的基于流水线技术的算法分解方法可推广应用到其它需要高速数字算法实现的领域中，从而充分挖掘和利用FPGA的高速特性。
各章内容安排如下：
第一章：阐述课题的主要内容和设计方案。
第二章：对传统的数字硬件系统设计方法和以采用硬件描述语言的数字硬件系统设计方法进行比较，指出采用硬件描述语言设计数字硬件系统的优势。
第三章：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和综合技术作了详细的阐述，以及说明了应用VHDL的EDA设计流程。
第四章：在说明基于EDA工具的CPLD／FPGA开发流程的基础上，对ALTERA公司的FLEX10K系列的结构特点进行了详细的介绍。
第五章：基于ALTERA公司FPGA器件，利用硬件描述语言以自顶向下的方法，对有限脉冲响应(FIR)数字滤波器采用流水线技术进行了设计，满足了高采样率环境的需要。在快速乘法器中采用查找表的方法，以提高工作速度。在快速加法器中采用流水线技术，以提高采样率。着重叙述了利用VHDL设计FIR滤波器的详细过程，给出了各模块的具体程序和仿真图。
VHDL is considered as a core of digital system design and a key technique of implement digital systems design. Along with a very fast speed develop of PLD in speed and integration degree, increasing DSP implement with PLD. FIR digital filter often apply to dispel high frequency and restrain noises for originality stylebook data in DSP. Require of DSP in real time and fast speed is at a high pitch. This paper is arranged around the apply of VHDL in digital system design. We analyze the way of digital system design traditionary and using VHDL, and introduce the development of EDA the characteristic of VHDL and FLEX 1 OK. Pipelining design of FIR filters in digital algorithm design and implementation is described based on 4-input look-up table and pipelining design in FPGA's.The algorithm decomposing based on the pipelining technique in the work can be used in other circumstances where high speed algorithms are needed.
The detailed contents of the paper are as following:
In chapter 1: The detailed contents of the paper and the design of project are introduced.
In chapter 2: We analyze the way of digital system design traditionary and using VHDL, and introduce the development of EDA.
In chapter 3: We introduce the characteristic of VHDL , and EDA design flow with VHDL.
In chapter 4: We analyze the advantage using PLD in system design and the characteristic of FLEX 1 OK.
In chapter 5:It is the main section of the paper.With the method of top_down, a FIR filter architecture is implemented with pipelining design. The design is efficient and can satisfy the demand for high sampling rate. Look-up table and pipelining design are use to improve the speed of FIR filters. The particular process of implementation depictioned, and gived out the result of simulation.
引文
[1]侯伯亨，顾新，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科技大学出版社，1999．9
[2]杨晖，张凤言，大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京航空航天大学出版社，1999．1
[3]赵雅兴，FPGA原理、设计与应用，天津大学出版社，1999．4
[4]常青，陈辉煌，孙广富等，可编程专用集成电路及其应用与设计实践，国防工业出版社，1998．1
[5]张昌凡，龙永红，彭涛，可编程逻辑器件及VHDL设计技术，华南理工大学出版社，2001．7
[6]李素芝，万建伟，时域离散信号处理，国防科技大学出版社，1997．1
[7]卢毅，赖杰，VHDL与数字电路设计，科学出版社，2001．4
[8]王小军，VHDL简明教程，清华大学出版社，1998．4
[9]北京理工大学ASIC研究所，VHDL语言100例详解，清华大学出版社，1999．12
[10]薛宏熙，边计年，苏明，数字系统设计自动化，清华大学出版社，1996．10
[11]刘明业等，数字系统自动设计，高等教育出版社，1996．12
[12]潘松，王国栋，VHDL实用教程，电子科技大学出版社，2000．3
[13]凌朝东，刘蓉，林旭，基于PLD的FIR滤波器设计方法，学会月刊，2000．10
[14]潘松，电子设计自动化(EDA)技术及其应用(一)，电子与自动化，2000．1
潘松，电子设计自动化(EDA)技术及其应用(二)，电子与自动化，2000．2
潘松，电子设计自动化(EDA)技术及其应用(三)，电子与自动化，2000．3
潘松，电子设计自动化(EDA)技术及其应用(四)，电子与自动化，2000．4
[15]刘宝琴，应启珩，田立生，FIR和IIR滤波器的硬件实现，电子技术应用，1997．1
[16]王宇红，常青，用VHDL语言设计流水操作，微处理机，2001．2
[17]吴冰，李森森，EDA技术的发展与应用，现代电子工程，2000．3
[18]郭继昌，向晖，滕建辅等，基于FPGA的FIR滤波器的实现，电子技术应用，2000．5
[19]高梅国，潘君，陈炜炜，三种信号处理器的CPLD设计，电子技术应用，1999．3
[20]刘志新，用CPLD实现FIR数字滤波器，电子产品世界，2000．7
[21]王顺华，直接型数字滤波器的设计，系统工程与电子技术，1998．8
[22]于海燕，庞杰，可编程逻辑器件与EDA技术的发展，沈阳工业大学学报，1999．6
[23]梁淼，FLEX8000器件在彩灯控制系统中的应用，电子技术，1998．6
[24]胡光荣，周道炳，硬件描述语言在数字系统设计中的应用，指挥技术学院学报，2001．6
[25]张凌，应用EDA技术设计数字系统，现代电子技术，1999．10
[26]石峰，刘明业，多级流水线结构高层次VHDL语言行为模型的研究，计算机辅助设计与图形学学报，1999．7
[27]丁明威，李引新，黄培中，VHDL与电子自动化，计算机应用研究，1999．1
[28]陈芹，刘泽坚，夏仁平，硬件描述语言的表述特点及其综合过程，计算机与现代化，1997．4
[29]吴天宝，戴卫兵，陈欣荣，硬件描述语言及其应用，江苏理工大学学报，1998．1
[30]王金玉，介绍一种硬件描述语言----VHDL语言，实验室研究与探索，1997．4
[31]任明强，张平，田晓霞，EDA技术与高层次电子设计方法，微机发展，1998．5
[32]金听，黄捷，刘韬，一种用FPGA实现的FIR滤波器结构，微电子学，1999．2
[33]刘凡，VHDL—标准化的硬件设计语言，计算机工程与应用，1998．1
[34]刘志军，王伟，EDA／ESDA系统级目标设计方案探讨，微计算机信息，1999．2
[35]宋万杰，FLEX10K系列可编程逻辑器件介绍，国外电子元器件，1999．4
[36]郑蕾，电子设计自动化(EDA)与现场可编程门阵列(FPGA)，电子技术应用，1997．10
[37]丁文霞，EDA技术在现代数字系统中的应用，电子技术应用，2000．10
[38]朱明程，林欣荣，VHDL设计中电路简化问题的探讨，电子技术应用，2000．8
[39]李伟鹏，高育林，FLEX8000系列可编程逻辑器件及其应用，电子技术应用，1996．2
[40]冯志辉，用计算机CPLD设计数字电子系统，新技术新工艺，2000．6
[41]王文孝，高效使用FLEX器件，光通信研究，1998．2
[42]刘朝霞，基于VHDL的FPGA器件设计，微计算机信息，1998．6
[43]习建华，魏洪，夏天，用VHDL实现多媒体通信复接设备，电子工程师，2000．1
[44]杨勋，刘明业，基于时钟周期的VHDL模拟算法，计算机辅助设计与图形学学报，1999．12
[45]黄卫农，陈健，徐翔，一种用VHDL设计实现的有线电视机顶盒信源发生方案，电子技术应用，2000．7
[46]周瑗，杨丽华，用VHDL自顶向下设计数字密码锁，北京化工大学学报，2000．2
[2]杨晖，张凤言，大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京航空航天大学出版社，1999．1
[3]赵雅兴，FPGA原理、设计与应用，天津大学出版社，1999．4
[4]常青，陈辉煌，孙广富等，可编程专用集成电路及其应用与设计实践，国防工业出版社，1998．1
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