基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现

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1、分类号：UDC：工学硕士学位论文密级编号基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现硕士研究生：郑文明指导教师：张殿伦学位级别：工学硕士学科、专业：水声工程所在单位：水声工程学院论文提交日期：2009年2月论文答辩日期：2009年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨11：程人学硕十学位论文摘要现代数字信号处理对实时性提出了很高的要求，当最快的数字信号处理器(DSP)仍无法达到速度要求时，唯一的选择是增加处理器的数目，或采用客户定制的门阵列产品。随着可编程逻辑器件技术的发展，具有强大并行处理能力的现场可编程门阵列(FPG

2、A)在成本、性能、体积等方面都显示出了优势。本文以此为背景，研究了基于FPGA的快速傅立叶变换、数字滤波、相关运算等数字信号处理算法的高效实现。首先，针对图像声纳实时性的要求和FPGA片内资源的限制，设计了级联和并行递归两种结构的FFT处理器。文中详细讨论了利用流水线技术和并行处理技术提高FFT处理器运算速度的方法，并针对蝶形运算的特点提出了一些优化和改进措施。其次，分析了具有相同结构的数字滤波和相关运算的特点，采用了有乘法器和无乘法器两种结构实现乘累加(MAC)运算。无乘法器结构采用分布式算法(DA)，将乘法运算转化为

3、FPGA易于实现的查表和移位累加操作，显著提高了运算效率。此外，还对相关运算的时域多MAC方法及频域FFT方法进行了研究。最后，完成了图像声纳预处理模块。在一片EP2S60上实现了对160路信号的接收、滤波、正交变换以及发送等处理。实验表明，本论文所有算法均达到了设计要求。关键词：FPGA；并行处理；FFT；滤波；相关哈尔滨。翻弩大学硕十学位论文ABSTRACTModemsignalprocessingisrequiredtohavehighperformanceofrealtimeprocessing．Whenthef

4、astDigitalSignalProcessor(DSP)isstillunabletomeetthespeedrequirements，theonlychoiceistoincreasethenumberofprocessorsoradoptcustomer’Scustomizedgatearrayproducts．WiththedevelopmentofProgrammableLogicDevicetechnology，FieldProgrammableGateArray(FPGA)withmassivelypar

5、allelprocessingcapabilityshowssuperiorityincost，performance，sizeetc．Inthispaper,signalprocessingalgorithm，suchasfastFouriertransform，digitalfiltering，andcorrelationalgorithmareresearchedandefficientlyrealized．Firstly,accordingtothereal—timerequirementofimagingson

6、arandtheresourceconstraintsoftheFPGA，FFTprocessorwithcascadeandparallelrecursivestructureisdesigned．Themethodtoincreasecalculationspeedwithpipeliningandparallelprocessingtechnologyisdiscussedindetail．Subsequently，someoptimizationandimprovementofbutterflyarithmeti

7、cunitisproposed．Secondly，thecharacteristicsofthedigitalfilteringareanalized，SOisthecorrelationcalculationwiththesamestructure．Thestructurewithmultiplierandthestructurewithnon··multiplierareadoptedinmultiply--accumulatecalculation(MAC)．Distributealgorithm(DA)isado

8、ptedinthenon—multiplerstructure，whichCangreatlyimprovethecomputingefficiencybyconvertingmultiplicationtolookuptableinPFGA．Inaddition，thecorrelationalgorithminf