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自适应滤波器的FPGA实现及应用

作　者: 李湘云
导　师: 刘云飞
学　校: 南京林业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: LMS算法 自适应滤波器 NiosⅡ 单精度浮点数 加乘法器
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 236次
引　用: 1次
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内容摘要


滤波技术是信号分析、处理技术的重要分支，是控制电磁干扰，保证设备电磁兼容性,提高可靠性、保密性的重要技术。在实际应用中，如果没有充足的信息来设计固定系数的数字滤波器，或者设计规则在滤波器运行时改变，我们就需要研究一种能够在未知情况下自我调节进行滤波的滤波器。自适应滤波器是一种能够通过自我学习，调节参数达到滤波效果的滤波器。所以凡是需要处理未知统计环境下滤除噪声或需要处理非平稳信号时，自适应滤波器可以提供一种吸引人的解决方法，而且其性能通常远优于用常规方法设计的固定滤波器。此外，自适应滤波器还能提供非自适应方法所不可能提供的新的信号处理能力。本文从自适应滤波器研究的重要意义入手，介绍了线性自适应滤波器的基本原理、算法及设计方法。对几种基于最小均方误差准则或最小平方误差准则的自适应滤波器算法进行研究。最终确定基于LMS算法的FIR自适应滤波器结构是最适合硬件描述语言实现的。这个结构主要包括LMS算法模块，FIR滤波器模块及其控制程序模块。论文通过这三个模块的实现方法不同，用三种方法在FPGA中实现了LMS算法的自适应滤波器，分别是NiosⅡ纯软件方法，VHDL方法和NiosⅡ自定制方法。其中，VHDL描述方法的实现采用了基于单精度浮点数的加法器模块、乘法器模块、二进制和浮点数的转换模块，并对定点数和浮点数在不同阶数下的资源消耗进行了对比。该设计不仅提高了运算精度而且扩大了数据的运算范围。采用NiosⅡ自定制方法比NiosⅡ纯软件方法实现提高了运算速度，而且这种优势在阶数越高的情况下越为明显。最后通过实验将设计好的程序下载至DE2(EP2C35)开发板，对正弦波，三角波及方波信号在不同阶数下的滤波效果分别进行了观察。实验结果表明浮点数在硬件实现上有明显的精度优势，NiosⅡ嵌入式软件的灵活性在设计滤波器中拥有良好的应用前景。

全文目录


致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-11
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 噪声消除的研究现状  8-9
  1.3 论文的主要内容及章节安排  9-11
    1.3.1 论文的主要内容  9-10
    1.3.2 论文的章节安排  10-11
第二章 自适应滤波器  11-24
  2.1 自适应滤波器的原理  11-15
    2.1.1 自适应滤波器的基本理论  11-13
    2.1.2 自适应滤波器的研究方法  13-14
    2.1.3 自适应滤波器的性能指标  14-15
  2.2 自适应滤波算法  15-22
    2.2.1 自适应滤波常用的算法  15-16
    2.2.2 LMS 算法的基本理论  16-18
    2.2.3 LMS 算法的收敛性优化分析  18-19
    2.2.4 LMS 算法在 Matlab 中的仿真及参数分析  19-22
  2.3 论文采用的算法和结构  22-23
  本章小结  23-24
第三章 系统应用的软件及硬件电路  24-36
  3.1 NiosⅡ 系统构建  24-27
    3.1.1 NiosⅡ 嵌入式处理器  24-25
    3.1.2 NiosⅡ 处理器的结构  25
    3.1.3 Avalon 交换结构总线  25-26
    3.1.4 NiosⅡ 开发流程  26-27
  3.2 SOPC 设计流程  27-30
    3.2.1 SOPC 原理  27-28
    3.2.2 SOPC 硬件开发  28
    3.2.3 SOPC 软件开发  28-30
  3.3 Modelsim 仿真软件  30
  3.4 SignaltapⅡ 仿真软件  30-31
  3.5 DE2 开发板集成的系统  31-33
    3.5.1 DE2 开发板集成的系统结构  31-32
    3.5.2 EP2C35 芯片  32
    3.5.3 IS42S16400 芯片  32-33
  3.6 A/D 及 D/A 子板  33-35
    3.6.1 AD9248 芯片  33-34
    3.6.2 AD9767 芯片  34-35
  本章小结  35-36
第四章 自适应滤波在 FPGA 中的实现  36-71
  4.1 NiosⅡ 软件仿真实现自适应滤波器  36-46
    4.1.1 软件实现方法的系统结构  36
    4.1.2 NiosⅡ 软件实现自适应滤波器的 SOPC 构建  36-41
    4.1.3 NiosⅡ 软件实现自适应滤波器的 NiosⅡ IDE 软件工程  41-43
    4.1.4 应用 NiosⅡ 软件实现自适应滤波器的 Modelsim 仿真  43-46
  4.2 VHDL 硬件语言仿真实现浮点数的自适应滤波器  46-58
    4.2.1 单精度浮点数的加法器和乘法器设计  46-53
    4.2.2 二进制和浮点数转换模块设计  53-55
    4.2.3 FIR 横向结构的滤波器设计  55-58
    4.2.4 定点数与浮点数实现的资源消耗及对比  58
  4.3 NiosⅡ 自定制仿真实现自适应滤波器  58-66
    4.3.1 NiosⅡ 自定义模块介绍  58-60
    4.3.2 NiosⅡ 自定制模块实现自适应滤波器的 SOPC 硬件构建  60-63
    4.3.3 NiosⅡ 自定制模块实现自适应滤波器的 NiosⅡ IDE 软件工程  63-66
    4.3.4 纯软件设计方法和自定制设计方法比较  66
  4.4 自适应滤波器在 DE2 开发板中的硬件实现  66-70
    4.4.1 A/D 及 D/A 的驱动信号设置  66-67
    4.4.2 目标板运行程序  67-70
  本章小结  70-71
第五章 总结与展望  71-72
  5.1 总结  71
  5.2 展望  71-72
参考文献  72-74
附录  74-76
详细摘要  76-78

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 滤波技术、滤波器
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