论约束基于FPGAIIR数字滤波器与设计

论文导读：灵活性和实时性,传统的DSP技术显然不能同时满足这些需求。但随着可编程逻辑器件的进展,FPGA在灵活性和实时性方面的信号处理优势就显现了出来,由此基于FPGA的数字信号处理器被广泛利用。本论文主要探讨了基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与实现。文章首先介绍了课题的探讨背景及作用、国内外数字滤波器设计的探讨近况。接着以I
摘要：随着数字信号处理(DSP)技术的高速进展,传统的模拟信号处理技术已逐渐被日益成熟的数字信号处理技术所代替。直接导致DSP技术快速进展的理由就是数字计算机技术的突破和集成电路制造技术的兴起。由于数字计算机专用性数字硬件飞跃式的进步,现在的计算机变得强大、小巧、廉价、快速。很多以前只能用模拟系统实现信号处理的任务现在都转到用更廉价,更可靠的数字系统来实现。在现代电子系统中,诸如图像、视频、音频和通信等系统中需要对信号处理具有灵活性和实时性,传统的DSP技术显然不能同时满足这些需求。但随着可编程逻辑器件的进展,FPGA在灵活性和实时性方面的信号处理优势就显现了出来,由此基于FPGA的数字信号处理器被广泛利用。本论文主要探讨了基于FPGA的IIR数字滤波器的设计与实现。文章首先介绍了课题的探讨背景及作用、国内外数字滤波器设计的探讨近况。接着以IIR数字滤波器设计的基础论述出发,分别以模拟滤波器到数字滤波器转换、IIR数字滤波器实现结构、数字滤波器有限字长效应等方面进行了详细阐述和讨论,比较浅析了滤波器的实现结构以及各自的特点和性能,确定了本论文所用的实现结构。其次,考虑到滤波器设计历程中有着的有限字长效应,为确保滤波器稳定,本论文提出了一种新的基于辐角原理(AP)的稳定约束条件,给出了利用加权最小二乘法来设计IIR数字滤波器,并通过4个实例比较证明了基于AP稳定约束条件的有效性。接下来在Matlab环境下,结合滤波器选型和滤波器稳定约束的讨论,设计出了以二阶环为基础的椭圆型并联结构滤波器,并通过Simupnk动态仿真环境对设计的有限字长IIR数字滤波器进行了动态仿真。本论文用同样的设计思路设计了不同中心频率的IIR数字滤波器运用于数字音频中进行频段分离和提取。整个仿真的历程稳定平稳,且选频特性良好。文章最后,在Simupnk环境下,将经过动态仿真验证的有限字长IIR数字滤波器生成的Verilog代码导出,下载至FPGA开发板进行硬件测试。通过连续编程对开发板上ADC和DAC模块进行制约,并通过利用外部信号源、频谱仪对滤波前后的效果进行浅析比较。滤波系统的测试结果表明,本论文所设计的IIR数字滤波器基本达到设计指标,选频特性良好。实际运用中可根据不同需要灵活修改制约滤波器系数,转变其滤波性能。关键词：数字信号处理论文FPGA论文IIR数字滤波器论文辐角原理论文稳定约束论文
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ABSTRACT6-10
第1章 绪论10-14

1.1 课题探讨背景及作用10-12

1.2 国内外探讨近况12

1.3 论文结构及内容安排12-14

第2章 数字滤波器设计基础14-31

2.1 基于模拟滤波器设计IIR滤波器14-20

2.

1.1 冲激不变法14-17

2.

1.2 线性变换法17-19

2.

1.3 匹配z变换19-20

2.

1.4 通用模拟滤波器的特性20

2.2 IIR滤波器实现系统结构20-25

2.1 直接型结构20-22

2.2 级联型结构22-23

2.3 并联型结构23-25

2.3 数字滤波器有限字长效应25-30

2.3.1 输入量化25

2.3.2 滤波器系数量化25-27

2.3.3 滤波器舍入效应27-29

2.3.4 极限环振荡29-30

2.4 小结30-31

第3章 IIR滤波器稳定约束条件31-44

3.1 基本IIR数字滤波器稳定性浅析31-34

3.

1.1 不足的提出31-32

3.

1.2 WLS设计32-33

3.

1.3 峰值约束33-34

3.2 基于AP的稳定约束34-37
3.

2.1 AP的基本概念34-35

3.

2.2 一种新的稳定约束35-37

3.3 稳定约束的运用实例37-43

3.1 最小Four-Power法和倡议策略比较37-38

3.2 WISE法和倡议策略比较38-40

3.3 基于线性AP的WLS法和倡议策略比较40-41

3.4 高斯-牛顿法和倡议策略比较41-43

3.4 小结43-44

第4章 MATLAB环境下IIR滤波器设计44-55

4.1 Matlab程序设计44-45

4.2 Simupnk环境论文导读：展望71-72致谢72-73参考文献73-76附录76上一页12
下搭建滤波器模型45-51
4.

2.1 量化字长效应的制约45-47

4.

2.2 IIR滤波器量化的Simupnk仿真47-50

4.

2.3 IIR滤波器硬件实现代码50-51

4.3 IIR滤波器数字音频领域的运用51-54
4.

3.1 数字图形均衡器52

4.

3.2 数字音频在Matlab中的仿真52-54

4.4 小结54-55
第5章 IIR数字滤波器硬件实现与验证55-71

5.1 IIR数字滤波器的硬件平台55

5.2 模拟信号采集电路55-59

5.

2.1 可编程预放大器57-58

5.

2.2 ADC模块58-59

5.3 DAC模块59-62
5.

3.1 SPI通信时序60-62

5.

3.2 定义DAC模块输出电压62

5.4 硬件平台的测试结果与浅析62-70

5.5 小结70-71

第6章 总结与展望71-72

6.1 总结71

6.2 展望71-72

致谢72-73
参考文献73-76
附录76