通信工程毕业论文开题报告(基于FPGA的IIR滤波器设计).docxVIP

毕业设计（论文）开题报告题目基于FPGA的IIR滤波器设计 专 业 名 称 通信工程班 级 学 号 13042107学 生 姓 名 王刚指 导 教 师 宋高俊填 表 日 期 2017 年 3 月 1 日1、 选题的依据及意义数字信号处理技术中一个非常重要并且应用得相当普遍的技术就是数字滤波器。所谓数字滤波，是指其输入输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分，达到提取和加强信号中的有用成分，削弱无用的干扰成分的目的。数字滤波与模拟滤波相比，有精度高、可靠性高、灵活性好、易于大规模集成等突出优点，可以满足对幅度和相位的严格要求，还能降低开发费用，缩短研制到应用的时间，在很多领域逐步代替了传统的模拟信号系统。电子技术已全面地由模拟技术向数字技术过渡，传统的模拟信号处理技术正由全新的数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)技术替代，绝大多数的数字化产品都需要快速实时完成数字信号处理任务，越来越多的高性能电子产品都仰仗于DSP的运用。所谓信号处理是指对信号进行滤波、变换、分析、加工、提取特征参数等的过程，随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域，它在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。数字信号处理不仅在速度上要求很高，而且要求有较强的灵活性，这样可以提高设备的实用性，能够大大降低费用，而且还缩短了从研制到应用的时间。现场可编程器件(FPGA)是20世纪80年代中期出现的高密度可编程器件，它与复杂可编程器件(CPLD)不同之处在于，FPGA的结构类似于掩膜可编程门阵列(MPGA)，由许多独立的可编程模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计。FPGA兼容了MPGA和阵列器CPLD两者的优点，具有更高的集成度、更强的逻辑实现能力和更好的设计灵活性，因此FPGA具有更强大的功能和市场应用前景，完全能够满足新的技术发展对数字信号处理实时性和灵活性的要求。二、国内外研究概况及发展趋势国外有许多院校和科研机构在研究基于FPGA的DSP应用，比较突出的有Denmark大学的研究小组正在从事FPGA实现数字滤波器的研究，由于FPGA实现乘法器困难，因此，他们重点研究开发无乘法的滤波器算法。加州大学洛杉机分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一种视频通讯系统，该系统用一片FPGA可每帧重构四次完成视频图像压缩和传送的操作。此外，他们还在进行Mojave项目的开发工作，力图采用运行时重构技术来实现自动目标识别应用。我国的DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA信号处理和系统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究，如西北工业大学和国防科技大学ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用FPGA提高加解密运算的速度等等。现在，可编程逻辑器件在密度、性能和功耗上都有显著的进步，为数字信号处理开创了新的领域，使得构造的数字信号处理系统能够保持基于软件的解决方案的灵活性，又能够接近ASIC的性能。FPGA内部的功能块中的SRAM查找表(Look Up Table，LUT)构成函数发生器，这种结构特别适用于并行处理结构，如分布式算法，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行度和可扩展性都很好，它逐渐成为构造可编程的高性能算法结构的新的选择。据分析，在未来，数字信号处理器将会主宰需要复杂算法的应用领域，而FPGA将会统治更多的应用，如FIR、IIR滤波器，CORDIC算法或FFT。三、研究内容及实验方案3.1研究的主要内容 1. 掌握数字滤波器的设计和分析方法 2. 确定本研究中的IIR数字滤波器将采用的系统结构 3. 基于MATLAB完成IIR滤波器的初步设计 4. 确定基于FPGA的IIR数字滤波器实现方法和硬件电路设计 5. 利用VHDL语言对各功能模块编程和软件仿真 6. 对设计完成的IIR数字滤波器系统进行仿真验证3.2 设计流程图开始 系统电路构思电路设计与输入（HDL代码、原理图、状态机） Y功能仿真是否正确N是否为综合优化问题N综合优化 Y 综合后仿真是否正确N是否为实现的问题 YY实现与布局布线N布局布线后仿真与验证是否正确N 板级仿真与验证是 否正确N加载配置在线调试图 1完整的FPGA的设计流程图3.3 设计（研究）方案 1.级联型IIR数字滤波器的原理IIR滤波器一般采用递归方式来实现。也就是说，滤波器当前输出y（n）是输入序列x（n）和以前各输出值y（n-1）、y（n-2）、y（n-3）的函数，这可以用下列差分方程来表示：,其中M=N，N是IIR滤波器的阶数。相应的，IIR滤波器的系统函数可以表示为： IIR滤波器除了具有极点以外，一般还存在零点。由于极点的存在，IIR滤波器用递归结构来实现较为简单。实现IIR滤波器的基本结构有三种：直接型、级联型和并联型。由于当直接II型结构传输函数阶数增加时，系数量化引起的误差影响到滤波器的性能，也为了便于扩展、设计高阶滤波器，本次设计采用级联型结构，这样可以直接利用二阶节进行扩展。级联型结构的特点是对滤波器性能的调整比较方便，调整系数、，只单独涉及到第k级零、极点，而不会影响到其它任一级的零、极点，因而可以独立地控制滤波器的各零、极点的分布。将系统函数的传输函数分子和分母进行因式分解，H(z)的系数均为实数，其极点、零点只可能是实数或者复共轭对，对于复共轭对因子，可以复合成二阶因子，即用它的零、极点表示为： 其中,，分子和分母中的实系数二阶因子分别对应于共轭零、极点。可以将上式分子和分母中单根一阶因子作为二阶因子的一种特例，那么上式就可以表示为M个实系数二阶基本节级联的形式：其中 图 2 级联型结构信号流为滤波器的二阶基本节，为取整结果。、则分别是第k个基本节的分母、分子系数，它们只关系到滤波器的某一对零、极点。 2使用DSP Builder设计级联型IIR滤波器方法DSP Builder结合MATLAB强大的Simulink图形化环境，并借助于MATLAB强大的计算能力和丰富的IIR滤波器设计函数，可以方便地进行IIR滤波器设计。使用DSP Builder设计IIR滤波器的步骤为：1 通过matlab将DSP Builder加入simulink库；2 打开simulink中刚刚添加的Altera DSP Builder，然后用matlab调用其中的器件，画出所设计的模型图；3 根据设计指标设计滤波器参数，然后进行simulink仿真；4 在原理图中添加SingalCompiler，打开SingalCompiler，选定对应器件，进行模型分析，把mdl模型转换成VHDL语言。5 用Modelsim对VHDL语言进行仿真；6 利用综合工具Synplify进行综合；7 进行QuartusII匹配，锁定引脚，选定器件；8 设计FPGA硬件电路，最后适配下载与调试。以4阶级联型IIR滤波器设计为例:通过matlab将DSP Builder加入simulink元件库，在Simulink环境中调用Altera DSP库中的器件，在matlab中建立一个新模型，按照下图调用DSP Builder模块进行设计，其模型如图3所示：图3 4阶级联型IIR滤波器模型滤波器的系数可以通过MATLAB强大的计算功能进行计算，打开MATLAB的FDATool进行系数计算，设置阶数为4，输入相关技术指标，并进行相关分析，刷新模型，即可得到图2模型。3.IIR滤波器硬件实现方案 硬件工作过程：模拟信号经过AD转换器转换为数字信号，将数字信号输入FPGA芯片中，FPGA芯片采用IIR数字滤波器算法对输入信号进行处理，将处理后的信号一方面可以通过数字接口进行传输，另一方面可以经DA变换以模拟量的形式输出，通过前后输入输出信号的对比，可以直观的分析滤波效果。原理图如下图：图4 硬件的系统原理框图 四、目标及工作进度 预期目标： 1采用模块化的设计思想、设计IIR滤波器各模块，并给出各模块的仿真波形； 2给出IIR滤波器的幅频特性的仿真波形； 3用嵌入式分析仪观察IIR滤波器的输入和输出波形； 4要求波形稳定可靠，IIR滤波模块便于扩展。工作进度 第1 3周：资料查找、方案论证、英文资料翻译、开题报告撰写。 第 4 7周：完成各功能模块的FPGA编程。 第814周：完成软硬件的调试。 第1518周：毕业论文撰写，答辩五、主要参考文献1 高西全，丁玉美. 数字信号处理M. 西安，西安电子科技大学出版社， 2008.2 邓华. MATLAB 通信仿真及应用实例详解M. 北京，人民邮电出版社，2003. 3 刘皖, 何道君, 谭明. FPGA设计与应用M. 北京，清华大学出版社，2006.4 田耘，徐文波，张延伟. 无线通信FPGA设计M.北京，电子工业