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自适应滤波算法的分析与FPGA高速实现

作　者: 唐佳
导　师: 杨路明
学　校: 中南大学
专　业: 软件工程
关键词: 自适应滤波器 LMS算法 仿真 FPGA 开发板
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 573次
引　用: 6次
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内容摘要


自适应滤波器能根据被测信号特点在满足某种算法的前提下自动调节滤波系数始终保持最优滤波,已经被广泛应用于信号对消去噪、系统辨识、信道均衡、信号预测等领域。自适应滤波算法的研究及硬件实现一直是信号处理领域研究的热点。随着电子系统功能越来越强大,对信号处理速率也提出了越来越高的要求。本文针对自适应滤波器一般采用DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理)通用处理器实现的现状,提出了一种利用FPGA (Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)高速实现的方法。首先以受到50Hz工频干扰和高斯白噪声干扰的正弦波信号为研究对象,利用频谱分析等方法,在matlab2007b软件上对LMS (Least Mean Squares,最小均方误差)自适应算法进行了深入的研究与仿真,分析了迭代步长、阶数与自适应滤波精度、收敛速度等参数的关系,得出了适合硬件实现的自适应滤波参数为滤波器阶数32阶左右,迭代步长0.05左右。然后利用Altera公司的DSP Builder工具,构建了LMS算法系数自动更新子系统,在此基础上构建了8阶LMS自适应滤波器模型,经过Modelsim仿真和QuartusII综合与适配,最终在EP2C240Q8N芯片上设计出最高响应频率为58.99MHz的高速LMS自适应滤波器,其性能远优于采用通用DSP处理器实现的自适应滤波器,而开发效率又远高于采用编写HDL (Hardware Description Language,硬件描述语言)底层代码的方式,而且任意阶的LMS自适应滤波器可以在此基础上方便的扩展。最后设计了并制作了以EP2C240Q8N型FPGA芯片为核心的最小系统实验板,该实验板采用两层布版工艺,具备AS (Active Serial,主动配置)和JTAG (Joint Test Action Group,联合测试行动组)两种下载模式,经过硬件实例测试,该实验板稳定可靠,非常适合硬件系统开发。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 自适应滤波概述  9-19
  1.1 自适应滤波概述  9-12
    1.1.1 自适应滤波概述  9
    1.1.2 自适应滤波算法概述  9-10
    1.1.3 自适应滤波器的主要应用  10-12
  1.2 研究背景、现状与意义  12-13
  1.3 论文使用的主要软件工具  13-17
    1.3.1 Matlab  14
    1.3.2 Quartus Ⅱ  14
    1.3.3 ModelSim  14-15
    1.3.4 DSP Builder  15-16
    1.3.5 Altium Designer Summer 2008  16-17
  1.4 主要研究内容及论文基本结构  17-19
第二章 LMS自适应滤波理论及其性能仿真  19-35
  2.1 概述  19
  2.2 维纳滤波与最陡下降算法  19-22
    2.2.1 维纳滤波器  19-21
    2.2.2 最陡下降算法  21-22
  2.3 LMS算法简介  22-24
  2.4 LMS自适应噪声对消原理及其simulink仿真  24-26
  2.5 仿真与分析  26-34
    2.5.1 仿真信号  26-28
    2.5.2 LMS自适应滤波器性能分析  28-34
  2.6 本章小结  34-35
第三章 LMS自适应滤波器的FPGA实现  35-47
  3.1 概述  35
  3.2 基于DSP Builder的FPGA开发流程  35-36
  3.3 LMS自适应滤波器建模  36-42
    3.3.1 LMS算法模型构建  36-37
    3.3.2 基于DSP Builder的系统级建模与仿真  37-42
  3.4 仿真与结果分析  42-46
  3.5 本章小结  46-47
第四章 FPGA通用数字信号处理实验板的设计与实现  47-60
  4.1 概述  47
  4.2 FPGA最小系统实验板单元电路设计  47-53
    4.2.1 电源模块的设计  47-49
    4.2.2 显示模块的设计  49
    4.2.3 频率产生模块的设计  49
    4.2.4 JTAG在线调试电路  49-50
    4.2.5 AS配置模式电路  50
    4.2.6 引脚分配  50-52
    4.2.7 电源滤波电路  52-53
    4.2.8 复位电路  53
  4.3 最小系统板版图设计  53-56
  4.4 硬件测试  56-59
  4.5 本章小结  59-60
第五章 结论  60-61
  5.1 结论  60
  5.2 进一步的研究方向  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
攻读学位期间主要的研究成果  66

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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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