• ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

А.В. Строгонов

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

УДК 621.3.049.77

Строгонов А.В. Основы цифровой обработки сигналов: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (58 Мб). - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. - 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM) : цв. – Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; MS Word 2007 или более поздняя версия; СD -ROM дисковод ; мышь. – Загл. с экрана. – Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12х14 см.

В учебном пособии рассматривается проектирование устройств цифровой обработки сигналов для реализации в базисе ПЛИС. Даются практические примеры проектирования цифровых фильтров с использованием высокоуровневого языка описания аппаратурных средств VHDL и мегафункций в САПР ПЛИС Quartus II компании Altera. Уделено внимание вопросам проектирования цифровых автоматов и функциональных узлов микропроцессорных устройств для реализации в базисе ПЛИС с использованием системы Matlab/Simulink.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100.68 «Электроника и наноэлектроника» (программа магистерской подготовки «Приборы и устройства в микро- и наноэлектронике»), дисциплинам «Цифровая обработка сигналов», «Архитектуры микропроцессорных вычислительных систем», «САПР БИС программируемой логики», «САПР системного уровня проектирования БИС», «Методология проектирования БИС».

Табл. 20. Ил. 217. Библиогр.: 25 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государ-ственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);

д-р техн. наук, проф. М.И. Горлов

© Cтрогонов А.В., 2014

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2014

Введение

ПЛИС – цифровые БИС высокой степени интеграции, имеющие программируемую пользователем внутреннюю структуру и предназначенные для реализации сложных цифровых устройств. Использование ПЛИС и САПР позволяет в сжатые сроки создавать конкурентоспособные устройства и системы, удовлетворяющие жестким требованиям по производительности, энергопотреблению, надежности, массо-габаритным параметрам, стоимости.

ПЛИС широко используются в качестве интерфейсных схем, в микропроцессорных системах для организации обмена и стыковки различных ИС между собой и устройствами ввода-вывода. В базисе ПЛИС могут быть спроектированы логические блоки и системы, преобразователи кодов, периферийные контроллеры, микропрограммные устройства управления, конечные автоматы, умножители, микропроцессорные ядра и др.

Обработка сигналов может осуществляться с помощью различных технических средств. В последнее десятилетие лидирующее положение занимает цифровая обработка сигналов (ЦОС), которая по сравнению с аналоговой имеет следующие преимущества: малую чувствительность к параметрам окружающей среды, простоту перепрограммирования и переносимость алгоритмов.

Одной из распространённых операций ЦОС является фильтрация. Вид импульсной характеристики цифрового фильтра (ЦФ) определяет их деление на ЦФ с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры) и ЦФ с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры).

Широкое применение цифровых КИХ-фильтров вызвано тем, что свойства их хорошо исследованы. Использование особенностей архитектуры ПЛИС позволяет проектировать компактные и быстрые КИХ-фильтры с использованием так называемой распределённой арифметики.

В первой главе рассматриваются основы двоичной арифметики, представление чисел со знаком в формате с фиксированной запятой и различные виды умножителей цифровых сигналов.

Во второй главе рассматривается моделирование КИХ-фильтра в системе Matlab/Simulink (пакет Signal Processing, среда FDATool), проектирование КИХ-фильтров на последовательной и параллельной арифметиках, с использованием операций умножения с накоплением (MAC), демонстрируются различные варианты реализации КИХ-фильтров с использованием перемножителей на мегафункциях САПР Quartus II компании Altera.

В третьей главе приводятся сведения по проектированию цифровых автоматов Мура, Мили по диаграммам переходов. Подробно рассматривается метод кодирования с одним активным состоянием, а также методы и приемы (стили кодирования цифровых автоматов на языке VHDL), позволяющие повысить эффективность использования ресурсов ПЛИС.

В четвертой главе рассмотрены различные подходы в проектировании микропроцессорных ядер для реализации в базисе ПЛИС с использованием системы визуально-имитационного моделирования Matlab/Simulink c приложениями StateFlow и Simulink HDL Coder. Микропроцессорные ядра, представленные в виде сложно-функциональных блоков в базисе ПЛИС, позволяют реализовать современную концепцию “система на кристалле”. Использование более высокой степени абстракции в проектировании БИС и сложно-функциональных блоков в виде готовых модулей позволяют создавать конкурентоспособные изделия в кратчайшие сроки.