基于fpga的自适应滤波器
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 FPGAABSTRaCTCompared with analog filter, digital filter has the advantages of high signalto noise ratio, good performance of transition zone, high reliability andexpansibility, flexible and convenient design and application With developmentof special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performanceand processing speed has been greatly improved, the realization of the use of thebetter performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptivefilter realization and application become possible, FPGA (field programmablegate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processingof data and Can use hardware programming language directly the characteristicsof the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filteris implemented on FPgaThe matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristicsof the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generatingtest signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation ofFPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrierof the development board for simulation design. in the design process, make fulluse of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structuraldesign On this basis, the following work has been doneThe filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptivenotch filter and Fft transform based on the principle of selection and build adesign platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversalfilter realization, using modular design method, the structure is divided into singleand serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of thetwo 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 orderfilter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel designmethods and logic resources call were compared. The results show that theoperation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster Inthe whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatlyimprove the design flexibility, reduce the consumption of hardware resourcesAfter the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filterfrequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transformdetection noise characteristic frequency, and can change in real time accordingto the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter designmethods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptivenotch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determinedthrough the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extractionalgorithm are introduced and the simulation design, the final design according tofrequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notchfilter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation researchthe adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the singlefrequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms usefulFor the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filterreflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, twodifferent types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinarydigital filter Can not effectively play the role of occasions, also the designmethod of other types of digital signal processing system based on FPGaimplementation has a certain reference valueKEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptivenotch 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61.3.1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132.1.3自适应陷波器的原理15214FFT变换的原理··p··中··中··,和p申·和中中····中·申22设计平台介绍2022.1自适应滤波器的设计平台20222自适应陷波滤波器接2223本章小结24第三章自适应横向滤波器的FPGA实现..273.1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273.1.1自适应滤波器的功能仿真研究273.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法…83.1.3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333.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理333.22FIR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p343.2.3LMS串行模块的设计35324自适应滤波器多级处理结构整体设计363.2.5结构特性分析393.3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.414.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择4141.2FIR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……1464.2.1FFT变换的功能464.2.2FFT变换的参数介绍42.3 FFT IP核的调试以及功能测试……4842.4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554.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计56434自适应陷波器的整体设计6044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6144.2模拟与实验验证45木章小结·········65第五章总结与展望DD67参考文献致谢75攻读学位期间发表的学术论文目录77ⅤI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
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MATLAB从零到进阶
北京航空航天大学出版社出版的 MATLAB从零进阶，适合MATLAB初学者使用！MATLAB开实例系列图书MATLAB从要到进阶中些李国刘涣进天郑志勇编著内容简介本着从易到难、从基础到应用及提高的质则本书结合大量案例系统计解 MATLABT言编程要旨。主要内容包括 MATLAB简介和基本摸作绘图与可褪化,程序饭计,图形用户界面(GUD缤程数据I0(与TEx3据之间的数交换)符号计算,数值积分计算方程与方程组的数值解,常徽分方程(组)数匝求解,线性規划和非线性优化问惡求解,景大最小題求解橫率分布与随机数,描述性统计,参数估计与假设检验,归分牙多项式回归与数值, MATLABE程序译,系统级仿真工mihk反其应用等。附录为min常用命令列表。为方便读者的学习和使用,本+配有光型,答包:每一个案例的源程序,以及于教学和自学的PPT课件本书可作为-般读者自学并掌握 MATLAB语言的参考京,也可作为高等院校理工类本科生研究生系统学习 MATLAB的教材或参考书,还可作为科人和工程技术人员应用M4TL4B解决实际问题的参考用书。书在版编目(CP数据MATLAB从零到进阶/谢中华等编著-北京:北京航空航天大学出版社212.2ISEN978-7-5124-907-1.M4…且.①….Mahb件1.该书作者简介就中华,副教,资深 MATLAB培训,十多年MATLAB编程经验已出版书籍(MATA统计分析与应用:40个案倒分析)。现于天津科技大学数学系任教,长期从事MATLAB相关课程的教学与培训。精通 MATLAB、SAS、R语言等软件,擅长多种软偿协同作战,有着扎实献理沦基础和M丰富的实战经验3美原名m士业于北京厘工大应用数学系,+年 MALAB编经验,曾出版( MATLAB高效编程技巧与用:54个案例分析)受到广大该者好评,在数值计算.运第学最优化图像处理MTAB与C+混合编程领域有着三富的项目实战经验。刘进网名iai0:配文论坛饭主,山东省料学院计算中心助選研究员,工学硕士。现于合肥工业大学机与汽车工程学院机薇制及其自动化专业攻读博士学位,主要与期友茶余饭后聊天时:时常有人大发感:“现在的人是越来越离不开电了,要是没有电脑该怎么办可!”我也禁不位感慨:越来越多的人是离不开 MATLAB了,没有 MATLAB就做不成研究了。”事实的确如此,MA个TLAB已经在自然科学、社会生产和科学研究等冬领域得到了广泛的应用,它已经不再是诞生之初用于线性代裂计算的接囗程字,它就是计算软件中的巨无霰。有人在用 MATLAB作数据分折,有人在用 MATLAB作算法设计,有人在用1M0D作速模仿其还有人月8件开工我们炒股嫌钱,往大了说, MATLAB能助享专家设计尖武器。试想一下,或许几年以后,朋友之间打招呀的问候语就是:您今天 MATLAB了吗?如果到那时您还不会 MATLA,您很可能就u览0果您目前还是-个 MATLAB零基础的读者,您可不必饭,本就是专们为您准备的,它将带领您走进 MATLAB的殷堂,从人门到精通。本书编写的宗自就是引领读者从零基础人门,由浅人深地学习,先熟恐 MATLAB草稿纸式的编程语言和语法规则,让读者能够其内部数做“俊瓜式为的计算,然后慢了解 MATLAB自带的包罗万象的工县箱,在此基础上可以根据自己的算法惠练地进行扩展編程,在这个过程中,读者会在不知不觉中成为精本书内容分为2第1章, MATLAB简个第2章, MATLAB基操作;第3置,ATAB绘图与可视化,4章, MATLAB程序设计第5章,图形用户界面(GUD编:,第章MTB与TT文件的数据交换;第7章,M4BExe0文件的数据交葓;第8章数烟库连第908号计第0数值积分计第1,方程与方程组数值解第12章,学做分方程(组)数值求解:第123i,线性规划问题第14章,非线性优北问题;第15章,最大最小问题一公共设施选址;第16章,率分布与随机数;第1章描达性统计量和绕计图,第18章,参数计与假设检验第19章,回归分折第20章,多项式回归与数据插值;第21章, MATLAB序编译:第2系统级仿真工具 Simulink应用。在章顺序的安排上,我们是经过深思熟處的本着从易到难、从基础到应用及提高的原则。为了能让读者尽戴悉T.学会使用 MATLAB出自已的程序,我们把 MATLAB绘图与可视化、MTAB程序设计图形用户界面等章节放在了前而,这一点不同于一般的 MATLAB书第,根据我们的经验,从绘图开始是学习MTAB最为高效快走的方式因为各种实用的或是献忍形能够激发读者的学习兴超,有了兴通自然一切就变得简单了。另外,本书的内容力求与大学必修的高等数学、线性代数和概率论与数理统计等多门主干程相贴合,这样让读者能够理论结合实践,学习起来更为轻松。俗话说,业有专攻,多人合编也是为了发挥作者们各自的专长将各自在不同领域多年的经验和技巧率款给该者,本书谢中些主并负责统筹定,其中第1~3,6、5~0章由谢中华(网名xEh)写,第4.1012章是鹏(网名:mo:写,第5,2章由刘煥进9日第8郑间1写,第2学由李国栋(网y目录第I拿 MATLAB简介194TLAB助系统MLAB的那事儿…111ML4B命令宽口帮助系统“171.1 MATLAB的派…2Hep都助浏览器………1812MTB饭本信息…110参考文……………211238TL件的系统组成…3第2章MTAB基本操作……214MATL产构成42.1变量的定义与数据类型……2.5mhk产品成………62变量的定义与弦值………22.5 MATLAB/S mulik E应用领城2,12数据类型…23卓4·+4I数菇输出桕式↓;士12 MATLAB的安装与启动2.2常用函数…………23212LAB6安装…172.3数组算………222MATL4B的启动…82310阵的定………251.3 MATLAB工作界面…1■(4;4;22{珠矩阵………………28工作界布823高维数组·』⊥1↓卜41+iiAMATLAB从零到进33二继图形绘制,2程序没计注意喜项………12331管用二继绘图函数…………55..3程序编排与注3.2三图形的修饰和浙加注释…608参考文献…图形的打印和输出…65第享图形用户界面(U编程…125331把图形复航到贴饭……655.1图形对象2把图形导出文件51区形对象的类型1263打印图形………6952图形对象的属性35动画制作…■自》重,卡715.1.3图形对象约操作31.运行航迹动画7152图形用户界面的设计原则和步骤2红闪动画…721365.3电影动画…52.1图形用户界面设计原则…136若5.4录制A格式视频动画……45.2图形用户界面的设计步骤……136您355作GE格式动画………755.3开发图形用户界面的方法-137此35参考文献…7175.4直接编写M文件开发图形阳户1|算+章MTB程设计08界面M文一脚本文件和函数文件5:1文件类…14任Pp·丰IL丰晋中bDl↓;1b●785..2根对象…11本文件…853图形窗口对象函数文件785.4.4坐标轴对象T州世分们故中上甲
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