非制冷红外焦平面阵列片上Sigma-Delta数字滤波器设计研究

论文摘要

近年来,非制冷红外焦平面阵列在军用和民用领域越来越具有市场潜力,同时成像系统从多功能模块集成向单片集成发展,因此片上集成ADC成为研究热点。片上集成ADC不仅可以简化接口,还可以直接输出数字信号,避免模拟干扰,从而提高系统性能。本文选择Sigma-Delta ADC作为片上ADC的结构,重点研究其中的数字滤波器的设计。通过优化设计,降低数字滤波器的面积和功耗,进而提高ADC的性能。本文针对2-1级联Sigma-Delta调制器,设计了数字滤波器。其主要设计要求包括:通带截止频率20 KHz,最大通带波纹0.001 dB,最小阻带衰减85 dB,输出位宽14 bit,输入速率5.6448 MHz,输出速率44.1 KHz,降采样率128倍。设计中采用Matlab、Synplify、Quartus II、Modelsim等自动化设计软件联合设计,简化了设计过程的迭代;滤波器的实现采用多级级联方式,在保证性能的前提下,减小硬件开销;在系统整合过程中,对设计进一步优化以增强系统的鲁棒性。设计经过Matlab系统级设计与仿真验证,确定硬件结构;用Verilog硬件描述语言进行设计,经过Synplify、Quartus II编译综合,最终得到寄存器传输级实现以及门级映射;最后使用Matlab、Modelsim对整个系统联合测试验证。测试结果表明,数字滤波器最大通带纹波0.0009 dB,最小阻带衰减85.21 dB,达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非制冷红外焦平面阵列概况
• 1.1.1 国外研究情况
• 1.1.2 国内研究情况
• 1.2 非制冷红外焦平面阵列读出电路
• 1.3 片上ADC 概况
• 1.3.1 片上ADC 及其分类
• 1.3.2 片上ADC 研究进展
• 1.3.3 ADC 及其常用结构
• 1.4 论文研究的内容及意义
• 第二章 Sigma-Delta 数字滤波器原理
• 2.1 Sigma-Delta ADC 原理
• 2.1.1 Sigma-Delta ADC 主要技术
• 2.1.2 Sigma-Delta ADC 结构
• 2.2 数字滤波器原理
• 2.2.1 IIR 滤波器
• 2.2.2 FIR 滤波器
• 2.3 有限字长效应
• 2.4 小结
• 第三章 数字滤波器参数及结构确定
• 3.1 数字滤波器参数确定
• 3.1.1 通带、阻带频率范围确定
• 3.1.2 输入、输出速率数值确定
• 3.1.3 输出数据有效位宽确定
• 3.1.4 通带纹波、阻带衰减确定
• 3.1.5 数字滤波器参数汇总
• 3.2 数字滤波器结构确定
• 3.2.1 数字滤波器总体结构确定
• 3.2.2 频率抽样滤波器结构确定
• 3.2.3 FIR 低通滤波器结构确定
• 3.3 小结
• 第四章 数字滤波器系统级设计
• 4.1 频率抽样滤波器系统级设计
• 4.1.1 单级抽样滤波器系统级设计
• 4.1.2 级联抽样滤波器系统级设计
• 4.2 FIR 低通滤波器系统级设计
• 4.2.1 第一级低通滤波器系统级设计
• 4.2.2 第二级低通滤波器系统级设计
• 4.3 小结
• 第五章 数字滤波器综合实现
• 5.1 频率抽样滤波器综合实现
• 5.1.1 频率抽样滤波器位宽计算
• 5.1.2 频率抽样滤波器RTL 实现
• 5.1.3 频率抽样滤波器门级映射
• 5.2 FIR 低通滤波器综合实现
• 5.2.1 第一级低通滤波器RTL 实现
• 5.2.2 第二级低通滤波器RTL 实现
• 5.2.3 低通滤波器门级映射
• 5.3 数字滤波器综合整合
• 5.4 小结
• 第六章 数字滤波器仿真测试
• 6.1 数字滤波器系统级仿真
• 6.1.1 频率抽样滤波器系统级仿真
• 6.1.2 FIR 低通滤波器系统级仿真
• 6.1.3 数字滤波器整体系统级仿真
• 6.2 数字滤波器综合测试验证
• 6.2.1 频率抽样滤波器溢出检测
• 6.2.2 滤波器性能测试
• 6.2.3 时钟延迟检测
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果