实例介绍
【实例简介】
关于自适应滤波器的fpga实现，对于想学数字滤波器的和fpga的同学来说非常好
基于FPGA的自适应滤波器设计 摘要 数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比髙,过渡带性能好,髙可靠 性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越米越广。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 合设计以及行为仿貞,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∫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FR滤波模块以及串行LMS杖值更新模块,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,通过并行调川两种不同模块,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阶分别与仝串行以及仝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阶仝并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消 万方数据 耗,提髙了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的 滤波频夲固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频夲,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,模坎化设计,自适应陷 波器 万方数据 DESIGN OF ADAPTIVE FILTER BASED ON FPGA ABSTRaCT Compared with analog filter, digital filter has the advantages of high signal to noise ratio, good performance of transition zone, high reliability and expansibility, flexible and convenient design and application With development of special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performance and processing speed has been greatly improved, the realization of the use of the better performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptive filter realization and application become possible, FPGA (field programmable gate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processing of data and Can use hardware programming language directly the characteristics of the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filter is implemented on FPga The matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristics of the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generating test signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation of FPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrier of the development board for simulation design. in the design process, make full use of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structural design On this basis, the following work has been done The filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptive notch filter and Fft transform based on the principle of selection and build a design platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversal filter realization, using modular design method, the structure is divided into single and serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of the two modules and integrated were designed, and simulation experiments, through 万方数据 the parallel call two different modules, each call the four way to design a 1 6 order filter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32 order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel design methods and logic resources call were compared. The results show that the operation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster In the whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatly improve the design flexibility, reduce the consumption of hardware resources After the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filter frequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transform detection noise characteristic frequency, and can change in real time according to the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter design methods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptive notch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determined through the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extraction algorithm are introduced and the simulation design, the final design according to frequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notch filter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation research the adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the single frequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms useful For the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filter reflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, two different types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinary digital filter Can not effectively play the role of occasions, also the design method of other types of digital signal processing system based on FPGa implementation has a certain reference value KEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptive notch filter 万方数据 目录 摘要 ABSTRACT ··,··*··· 第·章绪论… 1.1研究目的与意义 1.1.1数字滤波器简介 ·················+··*····+··········*···:··.*····…···*········:··+*········· 1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义 ·“中,非 2国内外研究现状 1.2.1自适应滤波器研究现状 122自适应滤波器的FPGA实现研究现状 ······· 申中···申 1.3课题的主要研究内谷 ··B申 6 1.3.1课题的主要工作 1.3.2课题的研究实现方案… 4本章小结 第二章自适应陷波滤波器的原理以及实验平台 2.自适应滤波器理论介绍 ·····中中·········中· 中·"中··中·中··· ·中····申 2.1.1IR与FIR滤波器简介 2.12LMS算法原理 13 2.1.3自适应陷波器的原理 15 214FFT变换的原理 ··p··中··中··,和p申·和中中····中·申 22设计平台介绍 20 22.1自适应滤波器的设计平台 20 222自适应陷波滤波器接 22 23本章小结 24 第三章自适应横向滤波器的FPGA实现. .27 3.1自适应滤波器的 Matlab仿真研究… ····中中中申·中申···申申p中申·中申··申p申中 27 3.1.1自适应滤波器的功能仿真研究 27 3.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法… 8 3.1.3自适应滤波器的收敛性能研究… .30 万方数据 3.2自适应滤波器的FPGA模块化设计 33 3.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理 33 3.22FIR串行模块的设计 申·中p申申,申申申·申和中p申申非申·p;申p申·非申·申新申中和申p申和·申·申P申申·申申申p申p 34 3.2.3LMS串行模块的设计 35 324自适应滤波器多级处理结构整体设计 36 3.2.5结构特性分析 39 3.3木章小结 ···非中中非 第四章自适应陷波滤波器的FPGA设计 41符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计 .41 4.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择 41 41.2FIR自适应陷波滤波器系统结构设计 42噪声信号分析以及参考信号频率值提取 ……146 4.2.1FFT变换的功能 46 4.2.2FFT变换的参数介绍 42.3 FFT IP核的调试以及功能测试…… 48 42.4特征噪声频率提取算法.… 43自适应陷波模块的设计 非··申申中 431自适应波器的 Matlab仿真 43.2自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法 55 4.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计 56 434自适应陷波器的整体设计 60 44采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声. 44.1提高系统实时性的方法 61 44.2模拟与实验验证 45木章小结 ········· 65 第五章总结与展望 DD 67 参考文献 致谢 75 攻读学位期间发表的学术论文目录 77 ⅤI 万方数据 太原理工大学硕上饼究生学位论文 第一章绪论 1.1研究目的与意义 滤波器从1917年发明以米,已经有近一个世纪的发展史1,滤波器的发明也极大的 推进了电了器件以及通信的发展。计算机技术以及集成电路的技术的发展又使滤波器产 生飞跃式的发展,各科数字电路以及模拟开关电路元件体积越来越小,密度越来越高, 直接催生了集成芯片式RC有源滤波器,开关电容滤波器以及数字滤波器。使滤波器 的应用范围再一次扩大,不仅仅在通信领域,在医学,电气,图像处理等领域也起到了 举足轻重的作用。 1.1.1数字滤波器简介 数字滤波器作为数字信号处理的一部分,是随着计算机以及数字器件的发展而发展 起来的一门比较新的技术,尤其近几年来,数字处理芯片以及数字信号处理技术的发展 使得数字滤波器的优点越米越突出,现代数字滤波器可以轻易实现将过渡带缩短到Iz 以內,这点是模拟滤波器无法达到的性能指标。数字滤波器比模拟滤波器还有更优越 的信噪比、可靠性以及灵活性和可扩展性,并且随着数字集成电路的发展,制作成本将 会越来越低S。 目前使用比较多的滤波器设计方法分别是无限冲击响应(IR)以及有限冲击响应 (FR)波器,其屮由于FR滤波器可以很容易实现具有严格线性相位结构的滤波器,而 IR滤波器要达到严格线性相位结构必须经过仝通网终线性相位矫正从而大大增加滤波 器的阶数。FR滤波器由于其冲击响应有限,所以是个稳定系统。并且没有反馈环节, 有利于其在使件上实现。所以FR滤波器以其独有的优势应用于线性相位结构的系统 屮。 近几年米,随着RLS以及LMS自适应算法的提出S,很多专家学者提出了利用自 适应算法在数字系统上设计自适应滤波器,使滤波器的性能更加灵活,并且在对滤波器 有特殊滤波要求的场合使用門,例如自适应陷波器常用在电气设备中滤除工频干扰而对 其余频率信号几乎完全不产生影响,以及在通道失配屮采用自适应滤波原理进行矫正 12,有些系统可以采用自适应算法达到抵消噪声千扰3,这些都是常规滤波器无法达 万方数据 基于FPGA的自适应滤波器设计 到的性能指标。LMS算法以其简单的特性,可以在多和数字芯片上进行设计。尤其在 FPGA上实现各种自适应滤波器14,是目前针对自适应滤波器方面的一个研究方向。 1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义 FIR与IR滤波器都是数字滤波器,即在数字系统上实现滤波器功能,而数字系统 又分为软件数字系统实现以及硬件数字系统实现,软件数字系统实现最常用的例如使用 MEATLAB或者 Labview进行编程实现15,其优点是可以自如的调节信号字长以及滤波 步长,可以达到很高的精度,并且可以综合其它的处理功能为一体。缺点是接口比较单 ,必须接外置的采集卡,需要以计算机为载休休积往往很大。并且对信号的处理速度 在相同糸件下要比硬件实现的滤波器系统要慢,并不能达到很好的实吋性,实际应用中 只适用于屮、少量的数据后期分析以及对成本以及实时性要求不高的一些系统使用16。 哽件芯片实现的数字滤波器实吋性要比PC杋软件好,并且硬件载体也比较多,如 单片机、ARM类芯片,和专门用于数字信号处理的DSP芯片上均可以实现滤波器功能 ,但是其运算均为串行运算,(现场可编程门阵列)FPGA作为·种可编辑器件,不仅 能实现上述所有芯片的功能,在资源配置合理的情况下,还能进行处理馍垬多重并行调 用,即在个芯片上实现多个基本芯片同时处理的功能8,从而达到特别优异的数字信 号处理功能,目前在图像处理等需要实时对大量数字信号进行滤波处理的领域,FPGA 已经成为款不可或缺的芯片。 但硬件设计数字滤波器的时候,山于数字滤波器的特殊性,在设计数字滤波器的时 候,并没有现成的标准公式,这造成了很多数字滤波器并不能完全直接在硬件系统上实 现,例如,FR数字滤波器,必须先利用软件工具得出FIR滤波器的各延迟抽头系数 才能进行硬件设计,所以设计FIR滤波器的时候,是离不开计算机系统的,但是设计 好的滤波器,可以脱离软件系统进行使用。 由亍FR滤波器的本质就是一个标准的乘加运算集,恰好可以利用分布式算法实砚 FIR滤波器,分布式算法的每个乘法运算屮必须有一个乘数为常数,这又与FPGA的基 本逻辑单元査找表的功能相适应,利用査找表结构可以进行个常数乘数与·个变量相 乘的运算,这样在实现FIR滤波器的时候,利用分布式算法,可以实现不使用或仅使用 少量乘法器资源即可完成FR滤波器结构设计,FPGA的设计结构刚好与FIR滤波器的 万方数据 【实例截图】
【核心代码】
关于自适应滤波器的fpga实现，对于想学数字滤波器的和fpga的同学来说非常好
基于FPGA的自适应滤波器设计 摘要 数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比髙,过渡带性能好,髙可靠 性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越米越广。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 合设计以及行为仿貞,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∫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FR滤波模块以及串行LMS杖值更新模块,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,通过并行调川两种不同模块,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阶分别与仝串行以及仝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阶仝并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消 万方数据 耗,提髙了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的 滤波频夲固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频夲,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,模坎化设计,自适应陷 波器 万方数据 DESIGN OF ADAPTIVE FILTER BASED ON FPGA ABSTRaCT Compared with analog filter, digital filter has the advantages of high signal to noise ratio, good performance of transition zone, high reliability and expansibility, flexible and convenient design and application With development of special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performance and processing speed has been greatly improved, the realization of the use of the better performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptive filter realization and application become possible, FPGA (field programmable gate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processing of data and Can use hardware programming language directly the characteristics of the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filter is implemented on FPga The matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristics of the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generating test signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation of FPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrier of the development board for simulation design. in the design process, make full use of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structural design On this basis, the following work has been done The filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptive notch filter and Fft transform based on the principle of selection and build a design platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversal filter realization, using modular design method, the structure is divided into single and serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of the two modules and integrated were designed, and simulation experiments, through 万方数据 the parallel call two different modules, each call the four way to design a 1 6 order filter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32 order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel design methods and logic resources call were compared. The results show that the operation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster In the whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatly improve the design flexibility, reduce the consumption of hardware resources After the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filter frequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transform detection noise characteristic frequency, and can change in real time according to the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter design methods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptive notch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determined through the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extraction algorithm are introduced and the simulation design, the final design according to frequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notch filter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation research the adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the single frequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms useful For the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filter reflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, two different types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinary digital filter Can not effectively play the role of occasions, also the design method of other types of digital signal processing system based on FPGa implementation has a certain reference value KEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptive notch filter 万方数据 目录 摘要 ABSTRACT ··,··*··· 第·章绪论… 1.1研究目的与意义 1.1.1数字滤波器简介 ·················+··*····+··········*···:··.*····…···*········:··+*········· 1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义 ·“中,非 2国内外研究现状 1.2.1自适应滤波器研究现状 122自适应滤波器的FPGA实现研究现状 ······· 申中···申 1.3课题的主要研究内谷 ··B申 6 1.3.1课题的主要工作 1.3.2课题的研究实现方案… 4本章小结 第二章自适应陷波滤波器的原理以及实验平台 2.自适应滤波器理论介绍 ·····中中·········中· 中·"中··中·中··· ·中····申 2.1.1IR与FIR滤波器简介 2.12LMS算法原理 13 2.1.3自适应陷波器的原理 15 214FFT变换的原理 ··p··中··中··,和p申·和中中····中·申 22设计平台介绍 20 22.1自适应滤波器的设计平台 20 222自适应陷波滤波器接 22 23本章小结 24 第三章自适应横向滤波器的FPGA实现. .27 3.1自适应滤波器的 Matlab仿真研究… ····中中中申·中申···申申p中申·中申··申p申中 27 3.1.1自适应滤波器的功能仿真研究 27 3.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法… 8 3.1.3自适应滤波器的收敛性能研究… .30 万方数据 3.2自适应滤波器的FPGA模块化设计 33 3.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理 33 3.22FIR串行模块的设计 申·中p申申,申申申·申和中p申申非申·p;申p申·非申·申新申中和申p申和·申·申P申申·申申申p申p 34 3.2.3LMS串行模块的设计 35 324自适应滤波器多级处理结构整体设计 36 3.2.5结构特性分析 39 3.3木章小结 ···非中中非 第四章自适应陷波滤波器的FPGA设计 41符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计 .41 4.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择 41 41.2FIR自适应陷波滤波器系统结构设计 42噪声信号分析以及参考信号频率值提取 ……146 4.2.1FFT变换的功能 46 4.2.2FFT变换的参数介绍 42.3 FFT IP核的调试以及功能测试…… 48 42.4特征噪声频率提取算法.… 43自适应陷波模块的设计 非··申申中 431自适应波器的 Matlab仿真 43.2自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法 55 4.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计 56 434自适应陷波器的整体设计 60 44采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声. 44.1提高系统实时性的方法 61 44.2模拟与实验验证 45木章小结 ········· 65 第五章总结与展望 DD 67 参考文献 致谢 75 攻读学位期间发表的学术论文目录 77 ⅤI 万方数据 太原理工大学硕上饼究生学位论文 第一章绪论 1.1研究目的与意义 滤波器从1917年发明以米,已经有近一个世纪的发展史1,滤波器的发明也极大的 推进了电了器件以及通信的发展。计算机技术以及集成电路的技术的发展又使滤波器产 生飞跃式的发展,各科数字电路以及模拟开关电路元件体积越来越小,密度越来越高, 直接催生了集成芯片式RC有源滤波器,开关电容滤波器以及数字滤波器。使滤波器 的应用范围再一次扩大,不仅仅在通信领域,在医学,电气,图像处理等领域也起到了 举足轻重的作用。 1.1.1数字滤波器简介 数字滤波器作为数字信号处理的一部分,是随着计算机以及数字器件的发展而发展 起来的一门比较新的技术,尤其近几年来,数字处理芯片以及数字信号处理技术的发展 使得数字滤波器的优点越米越突出,现代数字滤波器可以轻易实现将过渡带缩短到Iz 以內,这点是模拟滤波器无法达到的性能指标。数字滤波器比模拟滤波器还有更优越 的信噪比、可靠性以及灵活性和可扩展性,并且随着数字集成电路的发展,制作成本将 会越来越低S。 目前使用比较多的滤波器设计方法分别是无限冲击响应(IR)以及有限冲击响应 (FR)波器,其屮由于FR滤波器可以很容易实现具有严格线性相位结构的滤波器,而 IR滤波器要达到严格线性相位结构必须经过仝通网终线性相位矫正从而大大增加滤波 器的阶数。FR滤波器由于其冲击响应有限,所以是个稳定系统。并且没有反馈环节, 有利于其在使件上实现。所以FR滤波器以其独有的优势应用于线性相位结构的系统 屮。 近几年米,随着RLS以及LMS自适应算法的提出S,很多专家学者提出了利用自 适应算法在数字系统上设计自适应滤波器,使滤波器的性能更加灵活,并且在对滤波器 有特殊滤波要求的场合使用門,例如自适应陷波器常用在电气设备中滤除工频干扰而对 其余频率信号几乎完全不产生影响,以及在通道失配屮采用自适应滤波原理进行矫正 12,有些系统可以采用自适应算法达到抵消噪声千扰3,这些都是常规滤波器无法达 万方数据 基于FPGA的自适应滤波器设计 到的性能指标。LMS算法以其简单的特性,可以在多和数字芯片上进行设计。尤其在 FPGA上实现各种自适应滤波器14,是目前针对自适应滤波器方面的一个研究方向。 1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义 FIR与IR滤波器都是数字滤波器,即在数字系统上实现滤波器功能,而数字系统 又分为软件数字系统实现以及硬件数字系统实现,软件数字系统实现最常用的例如使用 MEATLAB或者 Labview进行编程实现15,其优点是可以自如的调节信号字长以及滤波 步长,可以达到很高的精度,并且可以综合其它的处理功能为一体。缺点是接口比较单 ,必须接外置的采集卡,需要以计算机为载休休积往往很大。并且对信号的处理速度 在相同糸件下要比硬件实现的滤波器系统要慢,并不能达到很好的实吋性,实际应用中 只适用于屮、少量的数据后期分析以及对成本以及实时性要求不高的一些系统使用16。 哽件芯片实现的数字滤波器实吋性要比PC杋软件好,并且硬件载体也比较多,如 单片机、ARM类芯片,和专门用于数字信号处理的DSP芯片上均可以实现滤波器功能 ,但是其运算均为串行运算,(现场可编程门阵列)FPGA作为·种可编辑器件,不仅 能实现上述所有芯片的功能,在资源配置合理的情况下,还能进行处理馍垬多重并行调 用,即在个芯片上实现多个基本芯片同时处理的功能8,从而达到特别优异的数字信 号处理功能,目前在图像处理等需要实时对大量数字信号进行滤波处理的领域,FPGA 已经成为款不可或缺的芯片。 但硬件设计数字滤波器的时候,山于数字滤波器的特殊性,在设计数字滤波器的时 候,并没有现成的标准公式,这造成了很多数字滤波器并不能完全直接在硬件系统上实 现,例如,FR数字滤波器,必须先利用软件工具得出FIR滤波器的各延迟抽头系数 才能进行硬件设计,所以设计FIR滤波器的时候,是离不开计算机系统的,但是设计 好的滤波器,可以脱离软件系统进行使用。 由亍FR滤波器的本质就是一个标准的乘加运算集,恰好可以利用分布式算法实砚 FIR滤波器,分布式算法的每个乘法运算屮必须有一个乘数为常数,这又与FPGA的基 本逻辑单元査找表的功能相适应,利用査找表结构可以进行个常数乘数与·个变量相 乘的运算,这样在实现FIR滤波器的时候,利用分布式算法,可以实现不使用或仅使用 少量乘法器资源即可完成FR滤波器结构设计,FPGA的设计结构刚好与FIR滤波器的 万方数据 【实例截图】
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