Цифровой фильтр высокой частоты

Фильтр будет выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы EPF10K20RC240-4 из семейства FLEX10K фирмы Altera с помощью специальных программ MAX+plus II 10.2 BASELINE и MATLAB 6.5.

ПЛИС семейств FLEX10K - самая популярная элементная база для реализации алгоритмов ЦОС. Их часто используют так, как они имеют большую логическую емкость, удобную архитектуру с встроенными блоками памяти(EAB, Embedded Array Block), высокую надежность и приемлемую цену, относительно других ПЛИС. Этого достаточно для решения проблем, возникающих у разработчиков.

Анализ, формализация и декомпозиция задачи

Запишем линейное разностное уравнение для БИХ-фильтра:

<

Преобразуем данное уравнение и получаем три формы реализации БИХ-фильтра:

<

<

Рис.1 Прямая форма 1 Рис.2 Прямая форма 2 Рис.3 Транспонированная

прямая форма 2

1)Прямая форма 1

<

2)Прямая форма 2

<

3)Транспонированная прямая форма 2

<

<

<

Для фильтра порядка М=3 получим:

<
>

<

Рис.4 Блок Mult_a

Рис.5 Блок Mult_b Рис.6 Блок Mult_c

Программировать будем ПЛИС фирмы Altera FLEX10K20RC240-4.Укажем характеристики этой схемы:

Таблица 1

В задании были получены коэффициенты фильтра. Но они дробные и поэтому MAX+plus с ними работать не может. Необходимо их перевести в целые числа. Это производится с помощью масштабирования. Масштабирование коэффициентов производится путем умножения заданных коэффициентов a_i на 2^m и b_i на 2ⁿ. Выбираем n и m так, чтобы выполнялись условия технического задания(отклонение АЧХ в полосе пропускания и затухание АЧХ в полосе непропускания). С учетом этого выберем m=n=6.

Используем MATLAB и получаем характеристики фильтра при различных округлениях:

<
>

<

>

Рис.8 АЧХ в полосе непропускания Рис.9 АЧХ в полосе пропускания

Выбираем округление до ближайшего целого, так как это единственное округление, которое удовлетворяет техническому заданию. Оно соответствует красному графику.

<
>

Рис.10 Импульсная характеристика фильтра

<
>

Рис.11 Переходная характеристика фильтра

<
>

Рис.12 ФЧХ фильтра

<
>

Рис.13 Карта нулей и полюсов фильтра

Данный фильтр является устойчивый, так как все полюса находятся внутри единичной окружности.

Выпишем округленные и отмасштабированные коэффициенты:

Выпишем значения импульсной и переходной характеристик:

Таблица 3

Разработка и обоснование структурной схемы устройства

Фильтр-это основной блок для реализации технического задания.

Для работы фильтр использует дополнительный код. По техническому заданию на входе имеем 8-разрядный параллельный прямой код. Поэтому перед фильтром целесообразно поставить преобразователь прямого кода в дополнительный код.

Так как данные на вход фильтра поступают с различными задержками, для безошибочной работы требуется поставить 8-разрядный параллельный регистр. Также регистры нужны для снижения логической нагрузки на логические элементы, вследствие чего освобождаются ресурсы ПЛИС для выполнения других функций. Так как фильтр тоже задерживает сигнал, то на выходе так же поставим параллельный регистр (разрядность определяется техническим заданием, т.е выходной параллельный регистр будет 16-разрядным).

Семисегментные индикаторы(их два) позволяют контролировать работу ПЛИС. Они указывают младшие разряды выходного сигнала в удобной для пользователя форме. Антидребезговая система убирает дребезг в кнопке управления ПЛИС.

1. btn - антидребезговая схема и преобразователь асинхронного сигнала в синхронный.

2. reg_in и reg_out -параллельные параметризированные регистры

3. preobr_cod - преобразователь кода , предназначен для преобразования входного прямого кода в дополнительный код;

4. filter_gor - основной блок преобразования

5. tffe-триггер

<
>

Рис.14 Структурная схема устройства

<
>

Рис.15 Принципиальная схема устройства

Разработка и отладка программы на языке AHDL

Если старший бит входных данных равен нулю, то код не изменяется, если равен единице,то все разряды кроме старшего инвертируются, а затем к младшему прибавляется единица.

Составление фильтра состоит в соединении отдельных модулей, в данной работе используются 3 модуля. Они соединены один за другим.

<

<

Рис.16 Структура mult_а Рис.17 Структура mult_b Рис.18 Структура mult_c

Определение быстродействия, импульсной и переходной характеристик устройства

-период тактовых импульсов-115.8 нс

-частота дискретизации-8.63 МГц

По заданию:

Частота дискретизации: 2,8 МГц

Соответственно, получаем большой запас по частоте:

8.63-2.8=5.83 МГц.

<
>

<
>

Рис.19 Временные диаграммы

Таблица 4 Отсчеты импульсной характеристики

Таблица 5 Отсчеты переходной характеристики

Заключение

Список использованных источников.

%

Курсовая работа по дисциплине:

"Основы проектирования цифровых устройств на ПЛИС"

На тему: "Цифровой фильтр высокой частоты"

Выполнил: студент группы 5110

Горюнов Д.Ю.

Проверил: Соколов Ю.П.

%

include "filter.inc";

include "button.inc";

include "ppreg.inc";

include "pk_dk.inc";

include "7segment.inc";

subdesign final

(

data[razx-1..0],clk,knopka : input;

reset : input = gnd;

out[razy-1..0] : output;

synhr,h : output;

la,lb,lc,ld,le,lf,lg : output;

ha,hb,hc,hd,he,hf,hg : output;

)

variable

preobr_cod : pk_dk with (width = razx);

h7seg,l7seg : 7segment;

reg_in : ppreg with (width = razx);

reg_out : ppreg with (width = razy);

btn : button with ( delay = 1, clock = 3175); --8000 25175

filtr_gor : filter with

(

wx = 8, --разрядность шины xn

b1 = 8, --коэффициент b1

b2 = B"10010", --коэффициент b2

b3 = 14, --коэффициент b3

b4 = B"11000", --коэффициент b4

a2 = B"1000101", --коэффициент a2

a3 = B"1000111", --коэффициент a3

a4 = B"1101110", --коэффициент a4

ce : node;

begin

reg_in.(clk,reset)=(clk,!reset);

reg_out.(clk,reset)=(clk,!reset);

btn.clk = clk;

filtr_gor.(clk,reset)=(clk,!reset);

preobr_cod.in[] = data[];

reg_in.data[] = preobr_cod.out[];

filtr_gor.vxod[]=reg_in.out[];

reg_out.data[]=filtr_gor.vixod[];

out[]=reg_out.out[];

l7seg.i[]=out[3..0];

h7seg.i[]=out[7..4];

(la,lb,lc,ld,le,lf,lg) = l7seg.(a,b,c,d,e,f,g);

(ha,hb,hc,hd,he,hf,hg) = h7seg.(a,b,c,d,e,f,g);

btn.btn = knopka;

ce = btn.out;

filtr_gor.ce = ce;

reg_in.ce = ce;

reg_out.ce = ce;

synhr = ce;

h = tffe(VCC,clk, , ,ce);

end;

%

Фильтр

Выполнил ст.гр.№ 5110

Горюнов Д.Ю.

%

include "mult_a1.inc";

include "mult_b.inc";

include "mult_c.inc";

PARAMETERS

(

b1 = 8, --коэффициент b1

b2 = B"10010", --коэффициент b2

b3 = 14, --коэффициент b3

b4 = B"11000", --коэффициент b4

a2 = B"1000101", --коэффициент a2

a3 = B"1000111", --коэффициент a3

a4 = B"1101110", --коэффициент a4

);

subdesign filter

(

vxod[wx-1..0], clk : input;

ce : input=vcc;

reset : input=gnd;

vixod[wy-1..0] : output;

)

variable

sec_up : mult_a1 with (widthx = wx, widthc = wc1+rs, widths = ws, widthp = wp, bn= b1*(2^rs));

sec_mid1 : mult_b with (widthx = wx, widthy = wy, widthc1 = wc1+rs, widthc2=wc2, widthp = wp, an = a2, bn = b2*(2^rs));

sec_mid2 : mult_b with (widthx = wx, widthy = wy, widthc1 = wc1+rs, widthc2=wc2, widthp = wp, an = a3, bn = b3*(2^rs));

sec_down : mult_c with (widthx = wx, widthy = wy, widthc1 = wc1+rs, widthc2=wc2, widthp = wp, an = a4, bn = b4*(2^rs));

V[wy-1..0] : node;

begin

sec_mid1.(clock,clken,aclr) = (clk,ce,reset);

sec_mid2.(clock,clken,aclr) = (clk,ce,reset);

sec_down.(clock,clken,aclr) = (clk,ce,reset);

sec_up.xn[]=vxod[];

sec_mid1.xn[]=vxod[];

sec_mid2.xn[]=vxod[];

sec_down.xn[]=vxod[];

V[] = sec_up.result[wm+wy-1..wm];

sec_mid1.yn[]=V[];

sec_mid2.yn[]=V[];

sec_down.yn[]=V[];

sec_up.sum[]=sec_mid1.result[];

sec_mid1.sum[]=sec_mid2.result[];

sec_mid2.sum[]=sec_down.result[];

vixod[]=V[];

end;

%

Преобразователь кода из прямого в дополнительный

Выполнил ст.гр.№ 5110

Горюнов Д.Ю.

%

parameters

(

width=8

);

subdesign pk_dk

(

in[width-1..0] : input;

out[width-1..0] : output;

)

variable

sign : node;

begin

sign = in[width-1] ;

if sign then out[] = (sign,!in[width-2..0])+1;

else out[] = in[];

end if;

end;

%

Параллельный параметризированный регистр

Выполнил ст.гр.№ 5110

Горюнов Д.Ю.

%

PARAMETERS

(

width=8

);

SUBDESIGN ppreg

(

data[width-1..0],clk : input;

ce : input = vcc;

reset : input = gnd;

out[width-1..0] : output;

)

variable

out[width-1..0] : dffe;

begin

out[].(clk,clrn,ena)=(clk,!reset,ce);

out[] = data[];

end;

%

Антидребезг

Выполнил ст.гр.№ 5110

Горюнов Д.Ю.

%

PARAMETERS

(

delay = 1 --величина задежки в микросекундах

, clock = 5175 -- тактовая частота в килогерцах

);

CONSTANT modul = (delay*clock) DIV 1000;-- модуль счета

ASSERT (modul>2)

REPORT "Произведение delay*clock должно быть больше 2000"

SEVERITY ERROR;

CONSTANT width = LOG2(modul);

CONSTANT end_state = modul-1;

SUBDESIGN button

(

btn : INPUT;

clk : INPUT;

out : OUTPUT;

)

VARIABLE

div_out : NODE;

astart : NODE;

tr[width-1..0] : dffe;

BEGIN

tr[].(clk, ena) = (clk, astart);

astart = dff(VCC, !btn, div_out, );

IF tr[].q < end_state THEN

tr[].d = tr[].q + 1;

ELSE

tr[].d = 0;

END IF;

div_out = !dff((tr[].q == end_state),clk,,); --формирование импульса сброса триггера

out = dff(dff(VCC, astart,!out,), clk, ,); --формирование импульса

END;

%

Модуль преобразования данных для представления на семисегментном индикаторе

Взят из раздаточного материала

%

% -a- %

% f| |b %

% -g- %

% e| |c %

% -d- %

% %

% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A b C d E F %

% %

SUBDESIGN 7segment

(

i[3..0] : INPUT;

a, b, c, d, e, f, g : OUTPUT;

)

BEGIN

TABLE

i[3..0] => a, b, c, d, e, f, g;

H"0" => 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0;

H"1" => 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0;

H"2" => 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1;

H"3" => 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1;

H"4" => 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1;

H"5" => 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1;

H"6" => 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1;

H"7" => 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0;

H"8" => 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1;

H"9" => 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1;

H"A" => 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1;

H"B" => 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1;

H"C" => 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0;

H"D" => 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1;

H"E" => 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1;

H"F" => 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1;

END TABLE;

END;

%

модуль mult_a1

Взят из раздаточного материала

%

INCLUDE "lpm_mult.inc";

PARAMETERS

( widthx = 8, --число разрядов шины xn[]

widthc = 10, --число разрядов коэффициентов

widths = 18, --число разрядов шины sum[]

widthp = 18, --число разрядов шины result[]

bn = 100 --коэффициент bn числителя

);

SUBDESIGN mult_a1

( xn[widthx-1..0] : INPUT;

sum[widths-1..0] : INPUT;

result[widthp-1..0] : OUTPUT;

)

VARIABLE

mult_x : lpm_mult WITH (

LPM_WIDTHA = widthx,

LPM_WIDTHB = widthc,

LPM_WIDTHP = widthp,

LPM_WIDTHS = widths,

INPUT_B_IS_CONSTANT = "YES",

LPM_REPRESENTATION = "SIGNED",

USE_EAB = "OFF",

--LPM_PIPELINE = 1,

MAXIMIZE_SPEED = 6 );

BEGIN

mult_x.dataa[] = xn[];

mult_x.datab[] = bn;

mult_x.sum[] = sum[];

result[] = mult_x.result[];

END;

%

Модуль mult_b

Взят из раздаточного материала

%

INCLUDE "lpm_mult.inc";

PARAMETERS

(

widthx = 8, --число разрядов шины xn[]

widthy = 8, --число разрядов шины yn[]

widthc1 = 10, --число разрядов коэффициентов b

widthc2 = 10, --число разрядов коэффициентов а

widthp = 18, --число разрядов шины result[]

an = 100, --коэффициент -an знаменателя (отрицательный - hex)

bn = 100 --коэффициент bn числителя

);

CONSTANT widths= widthp;

SUBDESIGN mult_b

(

xn[widthx-1..0] : INPUT;

yn[widthy-1..0] : INPUT;

sum[widths-1..0] : INPUT;

clock : INPUT;

clken : INPUT = VCC;

aclr : INPUT = GND;

result[widthp-1..0] : OUTPUT;

)

VARIABLE

mult_x : lpm_mult WITH (

LPM_WIDTHA = widthx,

LPM_WIDTHB = widthc1,

LPM_WIDTHP = widthp,

LPM_WIDTHS = widths,

INPUT_B_IS_CONSTANT = "YES",

LPM_REPRESENTATION = "SIGNED",

USE_EAB = "OFF",

LPM_PIPELINE = 1,

MAXIMIZE_SPEED = 6

);

mult_y : lpm_mult WITH (

LPM_WIDTHA = widthy,

LPM_WIDTHB = widthc2,

LPM_WIDTHP = widthp,

LPM_WIDTHS = widths,

INPUT_B_IS_CONSTANT = "YES",

LPM_REPRESENTATION = "SIGNED",

USE_EAB = "OFF",

--LPM_PIPELINE = 1,

MAXIMIZE_SPEED = 6

);

BEGIN

mult_x.(clock, clken, aclr) = (clock, clken, aclr);

mult_x.dataa[] = xn[];

mult_x.datab[] = bn;

mult_x.sum[] = mult_y.result[];

result[] = mult_x.result[];

mult_y.dataa[] = yn[];

mult_y.datab[] = an;

mult_y.sum[] = sum[];

END;

%

Модуль mult_c

Взят из раздаточного материала

%

INCLUDE "lpm_mult.inc";

PARAMETERS

(

widthx = 8, --число разрядов шины xn[]

widthy = 8, --число разрядов шины yn[]

widthc1 = 10, --число разрядов коэффициентов b

widthc2 = 10, --число разрядов коэффициентов a

widthp = 18, --число разрядов шины result[]

an = 100, --коэффициент an знаменателя

bn = 100 --коэффициент bn числителя

);

CONSTANT widths= widthp;

SUBDESIGN mult_c

(

xn[widthx-1..0] : INPUT;

yn[widthy-1..0] : INPUT;

--sum[widths-1..0] : INPUT;

result[widthp-1..0] : OUTPUT;

clock : INPUT;

clken : INPUT = VCC;

aclr : INPUT = GND;

)

VARIABLE

mult_x : lpm_mult WITH (

LPM_WIDTHA = widthx,

LPM_WIDTHB = widthc1,

LPM_WIDTHP = widthp,

LPM_WIDTHS = widths,

INPUT_B_IS_CONSTANT = "YES",

LPM_REPRESENTATION = "SIGNED",

USE_EAB = "OFF",

LPM_PIPELINE = 1,

MAXIMIZE_SPEED = 6

);

mult_y : lpm_mult WITH (

LPM_WIDTHA = widthy,

LPM_WIDTHB = widthc2,

LPM_WIDTHP = widthp,

LPM_WIDTHS = widths,

INPUT_B_IS_CONSTANT = "YES",

LPM_REPRESENTATION = "SIGNED",

USE_EAB = "OFF",

--LPM_PIPELINE = 1,

MAXIMIZE_SPEED = 6

);

BEGIN

mult_x.(clock, clken, aclr) = (clock, clken, aclr);

mult_x.dataa[] = xn[];

mult_x.datab[] = bn;

mult_x.sum[] = mult_y.result[];

result[] = mult_x.result[];

mult_y.dataa[] = yn[];

mult_y.datab[] = an;

END;

2

РГРТУ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА ПЛИС

Студент Горюнов Д.Ю

Группа 5110 Специальность 210402

2008

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой радио-

технических систем

____________ В.И.Кошелев

"___"__________ 2008 г.

Автор работы Горюнов Д.Ю.

Руководитель Соколов Ю.П.

Работа защищена _____________

Члены комиссии: ______________

______________________________

______________________________

(оценка, дата)

подпись

дата

фамилия, инициалы

подпись

<
>

<
>

<
>

<
>

<
>

<
>

<
>