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基于FPGA的FIR数字滤波器研究与设计

作　者: 岑光
导　师: 胡方明
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 生物医学工程
关键词: FPGA 分布式算法 FIR 多速率信号处理
分类号: TN713.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于在性能、成本、功耗等方面的优势,基于FPGA的信号处理模块已广泛应用于各种信号处理领域。FPGA尤其适合于乘法和累加(MAC)等重复性的DSP任务。本文介绍了FPGA在数字滤波器设计应用的优越性。FPGA所固有的灵活性也可让设计者紧跟新标准的变化,并能提供可行的方法来满足不断变化的标准需求。本文主要探讨了基于FPGA的数字信号处理的实现。首先详细阐述了数字信号处理的理论基础,重点讨论了FIR数字信号滤波原理。本文讨论了FIR数字滤波器的结构和算法分析,讨论和比较了在FPGA上的几种不同算法。在现代数字信号处理中,采样后的数据速率越来越高,这对数字信号处理也提出了更高的要求。为了达到这种要求,一个办法是提高数字信号处理的速率;另外一个方法是对采样后的数据进行降速处理。多速率信号处理技术为降速处理的实现提供了理论依据。本文讨论了多速率信号处理的基本原理,提出了一种多相结构的改进,还对FPGA在多速率信号处理中的应用做了一定深度的理论研究。最后,根据前文的讨论,本文重点讨论了分布式算法在FIR滤波器中的应用。为了验证分布式算法在FPGA数字信号处理中的优势,本文基于Quartus II9.1平台,重点设计实现了基于并行分布式的结构的FIR滤波器,并进行了验证。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 数字滤波器的研究背景与意义  7
  1.2 数字滤波器的应用现状与发展趋势  7-9
  1.3 数字滤波器的实现方法分析  9-10
  1.4 本文的主要工作和组织  10-11
第二章 FIR 数字滤波器结构和算法分析  11-17
  2.1 线性相位FIR 数字滤波器特点  11-12
    2.1.1 线性相位FIR 数字滤波器含义  11
    2.1.2 线性相位的条件  11-12
  2.2 传统FIR 数字滤波器设计方法  12-17
    2.2.1 窗函数法的设计步骤与要点  13-14
    2.2.2 用频率采样法设计FIR 数字滤波器的设计步骤与要点  14-16
    2.2.3 FIR 滤波器的等波纹逼近设计法  16-17
第三章单速率FIR 数字滤波器的FPGA 实现  17-29
  3.1 FPGA 技术简介  17-22
    3.1.1 什么是FPGA  17
    3.1.2 FPGA 发展趋势  17-18
    3.1.3 FPGA 的组成和特点  18-19
    3.1.4 FPGA 工作原理  19-20
    3.1.5 FPGA 设计方法概论  20-22
  3.2 FPGA 设计的关键原则  22-23
    3.2.1 面积和速度的平衡和转换  22-23
    3.2.2 数据接口同步设计原则  23
    3.2.3 流水线处理原则  23
    3.2.4 合理使用PLL  23
    3.2.5 信号延时  23
  3.3 FPGA 常见模块技术  23-24
    3.3.1 串化与解串技术  23
    3.3.2 字对齐技术  23-24
    3.3.3 预加重技术  24
  3.4 FIR 滤波器在FPGA 上的实现结构  24-29
    3.4.1 基于MAC 实现FIR 滤波器结构  24-26
    3.4.2 基于DA 算法的FIR 滤波器  26
    3.4.3 基于并行分布式算法的FIR 滤波器  26-29
第四章 FIR 多速率滤波器的FPGA 实现探讨  29-53
  4.1 级联积分梳状滤波器  29-43
    4.1.1 级联积分梳状(CIC)滤波器的分析  30-32
    4.1.2 级联积分梳状(CIC)抽样率变换滤波器的分析  32-36
    4.1.3 CIC 抽样率变换滤波器的设计  36-40
    4.1.4 设计实例及实现方法  40-43
  4.2 M 通道滤波器组  43-53
    4.2.1 M 通道滤波器组的基本关系  44-46
    4.2.2 M 通道滤波器的多相结构  46-48
    4.2.3 M 通道滤波器组的工程实现  48-53
第五章 DA 算法的设计仿真及验证  53-66
  5.1 MATLAB 仿真设计  53-57
  5.2 模块电路设计  57-62
    5.2.1 数据读入模块  57-58
    5.2.2 LUT 模块  58-59
    5.2.3 移位加模块  59-61
    5.2.4 连接模块  61-62
  5.3 FIR 滤波器整体电路仿真结果  62-64
    5.3.1 设定输入信号  62
    5.3.2 输出信号理论值  62-64
  5.4 结论  64-66
总结与展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-71
研究成果  71-72

基于FPGA的FIR数字滤波器研究与设计

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