基于分布式算法的FIR滤波器设计及FPGA实现

论文摘要

在现代电子系统中,用户追求的目标是实现实时快速可靠的数字信号处理。FIR数字滤波器以其严格的线性相位特性成为实现信号实时处理的关键部件。可编程逻辑器件在速度和集成度方面的飞速提高为硬件实现数字信号快速可靠处理提供了新途径。FPGA是最常用的可编程逻辑器件,它所具有的查找表结构非常适合实现FIR数字滤波器。HDL硬件描述语言灵活的描述方法以及与硬件无关的特点,使得利用硬件描述语言基于FPGA芯片实现FIR数字滤波器成为新的研究方向。本文对基于分布式算法的FIR滤波器的设计及FPGA实现进行了研究。介绍了FPGA的基本原理、设计流程、设计指导原则、设计思想与技巧和FIR数字滤波器的基本理论以及几种常用的窗函数;研究了分布式算法的串行、并行、串并结合实现方式,重点研究了分布式算法的并行流水实现。在设计FIR滤波器时,采用可重复配置查找表LUT和HDL语言实现分布式算法,简化传统的乘累加设计;采用表分割法进行查找表分割,缩小查找表规模;采用查找表参数独立于滤波器结构的方法使滤波器有较强的通用性和更适于模块化实现,以有利于系统维护和扩展;对滤波器各设计模块进行了仿真并用MATLAB对仿真结果进行了分析以验证设计的正确性。仿真结果表明,采用分布式算法实现的FIR滤波器硬件规模较小,具有实时快速可靠的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及意义
• 1.2 FIR滤波器实现方法的现状分析
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本人主要工作
• 第2章 EDA技术简介
• 2.1 可编程逻辑器件发展历程概述
• 2.2 FPGA的基本结构
• 2.3 FPGA设计指导原则
• 2.3.1 面积和速度的平衡与互换原则
• 2.3.2 硬件原则
• 2.3.3 系统原则
• 2.3.4 同步设计原则
• 2.4 可编程逻辑常用设计思想和技巧
• 2.4.1 串并转换
• 2.4.2 乒乓操作
• 2.4.3 流水线操作
• 2.4.4 数据接口同步
• 2.5 基于HDL的FPGA设计流程
• 2.6 有限状态机的设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 FIR数字滤波器原理及其软件设计方法
• 3.1 FIR数字滤波器基础
• 3.2 FIR数字滤波器的系统结构
• 3.2.1 FIR数字滤波器的直接型网络结构
• 3.2.2 FIR数字滤波器的线性相位系统结构
• 3.2.3 FIR数字滤波器的级联型（串联型）
• 3.2.4 FIR数字滤波器的频率采样型
• 3.3 仿真实例
• 3.3.1 窗函数法
• 3.3.2 用频率抽样法设计FIR滤波器
• 3.3.3 等波纹设计方法
• 3.4 多抽样率处理中的数字滤波器
• M倍抽取或内插的半带滤波器'>3.4.1 适合于D=2^M倍抽取或内插的半带滤波器
• 3.4.2 积分梳状（CIC）滤波器
• 3.5 本章小结
• 第4章 FIR滤波器硬件实现原理
• 4.1 分布式算法原理
• 4.2 有符号的DA数制
• 4.3 分布式算法的实现方法
• 4.3.1 分布式算法的全并行实现
• 4.3.2 分布式算法的全串行实现
• 4.3.3 分布式算法的串并行相结合实现
• 4.4 分布式算法LUT的改进方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 滤波器的FPGA实现
• 5.1 FIR滤波器的MATLAB实现
• 5.1.1 FIR滤波器的设计指标
• 5.1.2 FIR滤波器参数提取
• 5.2 FIR滤波器的模块仿真
• 5.2.1 状态控制模块及仿真
• 5.2.2 输入模块及仿真
• 5.2.3 乘累加模块及仿真
• 5.2.4 锁存模块及仿真
• 5.3 三种滤波方案的顶层模块实现
• 5.4 滤波器的系统仿真
• 5.5 三种滤波方案的比较
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历