基于FPGA的IIR数字滤波器设计

发布时间：2017-09-06 15:41

  本文关键词：基于FPGA的IIR数字滤波器设计

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【摘要】：伴随着数字信号处理(DSP)领域的发展,数字滤波器的历史大体上可以追溯到七十年代中期。经过了过去大约30年的蓬勃发展,数字滤波器设计已经变成了一项使能技术。数字滤波器在包括通信、控制、国防、生物医学和雷达等很多领域中作为唯一的选择,已经取代了模拟滤波器。数字滤波器是一种以数字的方式来改变信号属性的数字设备。而滤波器本身的属性可以通过幅频特性和相频特性来定义,它们都是频率的函数。数字滤波器,除了改变信号本身的属性,还要满足一些其他的要求,比如速度、复杂度、代价和功耗。而在一些高性能要求的环境中,通用微处理器通常会被ASIC或者FPGA或者具备并行运算架构的DSP取代,以此来挖掘滤波器的潜能。在数字滤波器的范畴中,大部分数字滤波器可以分成两类：有限脉冲响应滤波器(FIR)和无限脉冲响应滤波器(IIR)本文的结构通过研究IIR数字滤波器在MATLAB中的设计继而在FPGA上的实现和验证来组织。文章开始于数字滤波器研究基础,首先详细总结了在滤波器理论发展的过程中出现的各种数字滤波器以及各自的特点。然后介绍IIR数字滤波器的设计基础,包括滤波器结构的选型、实现架构、滤波器设计方案、数字滤波器的有限字长效应等理论基础,从而确定本文所采用的架构。接下来利用MATLAB的FDATool工具设计了以二阶节为基础的椭圆型级联结构IIR低通滤波器,依据有限字长效应的讨论对系数进行量化,之后对量化系数的滤波器进行Simulink动态仿真。仿真过程显示脉冲响应平稳,且滤波性能达到设计要求。论文对前述IIR数字滤波器进行RTL编码,并使用Simulink和Modelsim对其进行联合功能仿真。然后,用Quartus Ⅱ将其下载至FPGA开发板进行测试,利用SignalTap Ⅱ做定性测试,并通过使用外部信号源、频谱仪对滤波前后的效果进行分析对比。测试结果表明,IIR滤波器的通带截止频率为496.6kHz,阻带起始频率为522.9kHz,阻带衰减达到57.7dB,通带纹波小于1.5dB。整个测试期间输出频谱稳定平稳,论文设计的IIR数字滤波器基本达到设计指标,滤波性能满足要求。
【关键词】：数字信号处理 IIR滤波器 现场可编程门阵列 并联结构 二阶节
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景和意义9-13
• 1.1.1 IIR滤波器的概述9-12
• 1.1.2 国内外发展现状12-13
• 1.2 本文研究的主要内容13
• 1.3 论文的组织结构13-15
• 第二章 数字滤波器设计基础15-33
• 2.1 IIR数字滤波器基本理论15-17
• 2.1.1 IIR滤波器的幅频特性16-17
• 2.1.2 IIR滤波器的相频特性17
• 2.2 IIR数字滤波器实现系统结构17-22
• 2.2.1 直接型结构18-20
• 2.2.2 级联型结构20-21
• 2.2.3 并联型结构21-22
• 2.3 基于模拟滤波器设计IIR数字滤波器22-26
• 2.3.1 冲激不变法22-24
• 2.3.2 双线性变换法24-25
• 2.3.3 匹配z变换25-26
• 2.4 数字滤波器的有限字长效应理论26-30
• 2.4.1 数字表示26-28
• 2.4.2 输入量化28
• 2.4.3 滤波器系数量化28-30
• 2.5 流水线与并行处理30-32
• 2.5.1 IIR流水线设计31-32
• 2.5.2 IIR并行处理设计32
• 2.6 小结32-33
• 第三章 IIR数字滤波器设计与MATLAB仿真33-45
• 3.1 IIR滤波器的MATLAB设计33-35
• 3.2 量化精度设计35-39
• 3.2.1 输入量化精度36
• 3.2.2 系数量化精度36-37
• 3.2.3 乘积量化精度37
• 3.2.4 IIR数字滤波器量化的Simulink仿真37-39
• 3.3 IIR数字滤波器的结构设计39-43
• 3.3.1 IIR整体结构设计39-40
• 3.3.2 接口信号定义40-41
• 3.3.3 滤波器结构改进41-42
• 3.3.4 代码描述42-43
• 3.4 小结43-45
• 第四章 IIR数字滤波器的硬件实现45-61
• 4.1 IIR滤波器的硬件平台45-46
• 4.2 器件介绍和系统开发环境46-48
• 4.2.1 器件介绍46-47
• 4.2.2 JTAG链简介47-48
• 4.2.3 开发工具Quartus II简介48
• 4.3 IIR数字滤波器的实现48-49
• 4.3.1 综合与仿真49
• 4.3.2 滤波器实现过程49
• 4.4 IIR滤波器的测试49-60
• 4.4.1 仿真测试50-51
• 4.4.2 SignalTap II测试51-54
• 4.4.3 外接信号的频谱仪测试54-60
• 4.4.4 滤波器测试结果对比及误差分析60
• 4.5 小结60-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 5.1 总结61
• 5.2 展望61-63
• 致谢63-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 叶亚东;蔺智挺;范玉红;;基于FPGA的FIR数字滤波器设计与仿真[J];电子科技;2014年07期

2 刘忠超;张长春;李卫;郭宇锋;刘蕾蕾;;0.18μm CMOS Σ-Δ ADC用数字抽取滤波器设计[J];微电子学与计算机;2014年06期

3 张波;裴东兴;;基于DSP的FIR低通滤波器设计[J];电声技术;2014年05期

4 李玉学;白忠臣;秦水介;;基于Verilog HDL的FIR数字滤波器的优化设计与仿真[J];现代电子技术;2014年07期

5 张萍;;基于DSP的IIR低通数字滤波器的设计与实现[J];江南大学学报(自然科学版);2014年01期

6 屈星;唐宁;严舒;杨白;;基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与仿真[J];计算机仿真;2009年08期

7 李香萍;基于FPGA的IIR低通数字滤波器的实现[J];天津工程师范学院学报;2005年03期

8 武卫华;基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计[J];自动化仪表;2003年07期

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本文编号：804000