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基于FPGA的IIR数字滤波器设计[范文]

时间:2017-12-30 15:14:51 编辑:知网查重入口 www.cnkiid.cn

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的

在数字信号处理(DSP,Digital Signal Processing)方面,数字滤波器(digital filter)这一器件应用范围非常广,其主要功能是运算处理所输入的数字代码,这类代码的信号处于离散状态,从而能有效改变信号频谱。在音像信号、医学生物信号和其他领域方面,数字滤波器应用范围非常广。在其硬件设计方面,主要运用软件或DSP芯片而实现的,其劣势在于不能较快的实现数据处理。当今的信息技术迅猛发展,有海量数据待处理,为满足现实要求,所用的器件必须能快速处理数据,滤波效果良好。

基于FPGA的IIR数字滤波器设计示意图

基于FPGA的IIR数字滤波器设计示意图

现如今的电子信息技术飞速发展,传统方法已经不能满足现实要求,所以在信号处理设备中采用FPGA。相对于传统的实现方法,其优势体现在能并行处理数据,滤波器的数据输入输出效率明显提升。此外,FPGA能进行编程,当需求出现变化时,能在不替换芯片的情况下,进行全新设计。

在过去,电子技术主要是通过模拟技术来实现,现主要是向数字技术方向发展,数字信号处理技术已经全面取代传统的模拟信号处理技术,大部分数字化产品,都要在尽可能短的时间内,处理完毕数字信号,DSP的广泛应用,保证了众多高性能电子产品功能的发挥。实施信号的滤波、转换、分析、处理以及特征数据归纳等,这就是信号处理。人类社会已进入信息化时代,并且也已步入数字世界,由此,数字信号处理现已发展为核心学科及技术范畴,被最大限度的应用于通信、音像处理、自动化、军事、医药以及大型家电等领域。为增加设备的使用价值,降低制造成本,这就要求其数字信号处理过程能快速完成,而且灵活多变,此外,还能有效节约产品的转化应用周期。

现场可编程器件(FPGA)属于一种高密度的可编程器件,诞生于上世纪八十年代,相比较于复杂可编程器件(CPLD),其内部结构包含众多可编程模块,与掩膜可编程门阵列(MPGA)极为相似,使用者可以运用编程手段,把各个模块相连,从而完成设计活动。FPGA高效融合了MPGA和CPLD的优点,其集成度更高、逻辑实现程度更强,其设计活动更为多变。所以,FPGA的功能更强,应用范围更广,具有较高的时效性和灵活性,能确保数字信号处理充分适应新技术要求。

在处理数字信号的过程中,数字滤波器发挥了关键性作用,且应用范围较广。将输入及输出的数字信号,采用相关运算公式,调整所输入信号中频率成分的比值,或将某类频率成分删掉,这就是我们通常所讲的数字滤波,其作用在于辨析信号内含的价值内容,并进行提取和增强,发现干扰信号的内容,并进行削弱。相对于模拟滤波,数字滤波的精确水平高、稳定性好、灵活多变,且便于进行集成开发,能明显减少相关成本,减小研究应用周期,因此,在众多方面已经取代传统摸拟信号系统。

通常情况下,数字滤波器有两种实现方法,分别为有限冲击响应数字滤波器(Finite Impulse Response,FIR)和无限冲击响应数字滤波器(Infinite Impulse Response,IIR)。如果技术指标一致,在此情况下,后者比前者所用较少阶数,就能达到指标的具体要求。分析其原因,是后者应用了反馈机制,其通带以及阻带衰减特性非常好。现如今,设计IIR滤波器过程中,使用FPGA的研制方案,还不是很成熟,包含于DSP的FPGA解决方案是现代电子技术长期发展的结果,主要应用了SOPC技术,EDA技术和DSP技术,处理数字信号方面,有深远的理论意义和现实价值。相对于过去使用的技术,它有长足的进步,各项优势充分显示出来,主要表现为快速及时性、高度稳定性、技术独立自主性、系统重构性以及技术的规范性和高效性。

最近几年,计算机及大型集成电路技术发展迅速,在各行各业当中,数字信号处理技术应用较广,主要有数字化通信、医药数据信号处理以及特质测量仪器设备等。

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