基于FPGA的自适应滤波器设计

发布时间：2017-03-19 13:02

  本文关键词：基于FPGA的自适应滤波器设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比高,过渡带性能好,高可靠性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越来越广。随着专用数字信号处理芯片的发展,数字滤波器的可实现性能以及处理速度得到了极大的提升,FPGA(现场可编程门阵列)作为一种新型数字信号处理芯片,具有数字信号处理速度快、数据并行处理并且利用硬件编程语言直接进行硬件设计等特点,自适应滤波器的FPGA设计以及优化方法,是目前的一个研究热点。本文对自适应滤波器进行Matlab仿真,以对其结构特性以及运算特点进行了解,利用Matlab生成测试信号与FPGA仿真软件Modelsim进行联合设计以及行为仿真,采用Altera公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE15F17C8为载体的开发板进行设计仿真,在设计过程中,充分利用FPGA可以并行处理以及快速的数字信号处理的特点进行针对性的结构设计。在此基础上做了以下工作。在充分了解滤波器,自适应横向滤波器,自适应陷波滤波器以及FFT变换原理的基础上,选择并搭建了设计平台,在目前自适应横向滤波器的FPGA设计的研究基础上,采用模块化的设计方法,单独设计可重复调用的串行FIR滤波模块以及串行LMS权值更新模块,对两种模块的设计以及综合分别进行了设计以及仿真实验,通过并行调用两种不同模块,每种调用四个的方式设计一个16阶的滤波器为例来阐述模块化设计方法,并设计32阶64阶分别与全串行以及全并行设计方式的处理速率以及逻辑资源调用进行比较,结果说明运算速率与并行调用模块数量成正比,远快于全串行结构的设计方式,并且对于64阶全并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消耗,提高了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的滤波频率固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频率,并可以根据特征噪声频率实时改变陷波频率的滤波器设计方法,为了减小设计复杂性,研究了符号LMS自适应陷波器算法,通过Matlab仿真实验选取符号的特征变量。并对噪声信号提取算法进行了介绍和设计仿真,最终设计出根据噪声频率自动调节陷波中心频率的自适应陷波滤波器,并对滤波器性能进行了Modelsim仿真研究,自适应陷波器具有能有效的滤除对应频率的单频噪声信号,并且根据噪声的频率特性自动调节滤波频率的特点。针对两种自适应滤波器的FPGA设计,体现了FPGA在自适应滤波器设计时灵活性以及针对性,两种不同类型的自适应滤波器,可以分别适用于普通数字滤波器无法有效发挥作用的场合,同时本文的设计方法对其它类型数字信号处理系统的FPGA实现具有一定参考价值。
【关键词】：现场可编程门阵列 自适应横向滤波器 模块化设计 自适应陷波器
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713.7
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究目的与意义9-11
• 1.1.1 数字滤波器简介9-10
• 1.1.2 基于FPGA的自适应滤波器研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 自适应滤波器研究现状11-13
• 1.2.2 自适应滤波器的FPGA实现研究现状13-14
• 1.3 课题的主要研究内容14-15
• 1.3.1 课题的主要工作14-15
• 1.3.2 课题的研究实现方案15
• 1.4 本章小结15-17
• 第二章 自适应陷波滤波器的原理以及实验平台17-35
• 2.1 自适应滤波器理论介绍17-28
• 2.1.1 IIR与FIR滤波器简介17-21
• 2.1.2 LMS算法原理21-23
• 2.1.3 自适应陷波器的原理23-25
• 2.1.4 FFT变换的原理25-28
• 2.2 设计平台介绍28-32
• 2.2.1 自适应滤波器的设计平台28-30
• 2.2.2 自适应陷波滤波器接口30-32
• 2.3 本章小结32-35
• 第三章 自适应横向滤波器的FPGA实现35-49
• 3.1 自适应滤波器的Matlab仿真研究35-41
• 3.1.1 自适应滤波器的功能仿真研究35-36
• 3.1.2 自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法36-38
• 3.1.3 自适应滤波器的收敛性能研究38-41
• 3.2 自适应滤波器的FPGA模块化设计41-48
• 3.2.1 自适应滤波器FPGA模块化设计原理41-42
• 3.2.2 FIR串行模块的设计42-43
• 3.2.3 LMS串行模块的设计43-44
• 3.2.4 自适应滤波器多级处理结构整体设计44-47
• 3.2.5 结构特性分析47-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第四章 自适应陷波滤波器的FPGA设计49-75
• 4.1 符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计49-54
• 4.1.1 符号LMS算法的梯度特征值选择49-52
• 4.1.2 FIR自适应陷波滤波器系统结构设计52-54
• 4.2 噪声信号分析以及参考信号频率值提取54-62
• 4.2.1 FFT变换的功能54
• 4.2.2 FFT变换的参数介绍54-56
• 4.2.3 FFT IP核的调试以及功能测试56-58
• 4.2.4 特征噪声频率提取算法58-62
• 4.3 自适应陷波模块的设计62-68
• 4.3.1 自适应陷波器的Matlab仿真62-63
• 4.3.2 自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法63-64
• 4.3.3 自适应陷波器模块的FPGA设计64-68
• 4.3.4 自适应陷波器的整体设计68
• 4.4 采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声68-73
• 4.4.1 提高系统实时性的方法69-70
• 4.4.2 模拟与实验验证70-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第五章 总结与展望75-77
• 参考文献77-83
• 致谢83-85
• 攻读学位期间发表的学术论文目录85

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