基于FPGA的CIC滤波器的设计与仿真【文献综述】

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毕业设计文献综述电子信息工程基于FPGA的CIC滤波器的设计与仿真前言当今社会，随着数字信号处理算法的不断优化，数字信号处理器的性能的不断提高，数字信号处理技术越来越被广泛地应用到了各个领域中。而用FPGA来设计滤波器，其实就是设计一些累加单元，其滤波器的各种特性，如滤波参数可以通过FPGA仿真获得。所以我们首先要做的就是确定滤波器的设计要求，再在FPGA中仿真设计出该滤波器，然后导出滤波器系数，最后才能在FPGA中使用。主题随着现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）制造工艺的不断改进，其集成度和性能也不断地提高，数字信号进行处理采用FPGA来实现的方法也越来越受到重视。FPGA有着DSP不可比拟的优势。一方面，DSP是靠程序指针来运行程序的，FPGA执行算法是靠电路并行执行的，因此在同样的时钟频率下，使用FPGA完成数字信号处理算法要比使用DSP快得多。另一方面，由于FPGA编程比较灵活，他的资源可以重新配置，用来实现数字信号处理时更加灵活，而且成本更低。因此，在未来复杂数字信号高速发展的情况下，不断的提高FPGA性能才能够满足要求[1]。在多速率信号处理原理的基础上，设计了用于下变频的CIC抽取滤波器。CIC滤波器结构没有乘法器，只是用到了加法器和延迟器，因此，很适合用FPGA来实现。滤波器的结构简单,需要的存储量小,所以是个非常有效的单元在高速抽取和插值系统中[2]。为了补偿级联积分梳状(CIC)滤波器固有的通带衰减,提出了在CIC滤波器之前插入脉冲成形滤波器(PSF)进行预补偿的新算法。该算法以多速率正交调制器为例分析了补偿后CIC滤波器的性能而不增加硬件复杂度，滤波器系统的频率响应也在其中给出，仿真结果证明该补偿算法实用而且有效[3]。改善级联积分梳状(CIC)滤渡器具有通带不平和阻带衰减不足的缺点，因此给出了一种改进型CIC滤波器。该滤波器在采用级联了一个SINE滤波器，补偿了其通带衰减，在COSINE滤波器提高阻带特性的基础上来实现的。硬件实现时，采用新的多相分解方法结合非递归结构，不但大大减少了存储单元的数量，还使电路结构更加规则。经FPGA 和仿真验证，改进型的CIC滤波器使用的硬件较少，实现了阻带衰减100.3dB，通带衰减仅为0.001dB[4]。为了更好地解决软件无线电通信系统中频采样之后的极大数据量，在基带处理部分对DSP计算的压力，采用采样率变换技术在发射和接收过程中，并引入CIC滤波器实现采样率转换，能很好地满足了抗混叠效应的要求。采用常规方法和Hongenauer剪除理论的改进算法完成该滤波器的设计，结果表明：对于5级CIC滤波器，前者最高工作频率为160MHz，占用228个逻辑单元；后者最高工作频率为193MHz，占用225个逻辑单元。QuartusII时序仿真验证了两种方法的正确性，而后者更适用于高速多速率信号处理系统[5]。用FPGA实现FIR滤波器需要使用大量的乘法器。需要消耗大量的逻辑资源用FPGA实现并行乘法器(用AlteraCyclone系列器件实现一个16位并行乘法器需要417个逻辑单元)，而采用串行乘法器虽然可以相对的减少所需的逻辑资源，但在处理速度上会急剧地下降。所以用FPGA实现抗混迭滤波器在整数倍抽取器中的时侯，通常采用半带滤波器级联的方式在CIC滤波器与一组固定系数中的[6]。灵巧干扰式近年来国内外研究的重点，它以节省其干扰功率的和干扰效果的优势而出名。在分析灵巧干扰平台功能后，介绍了一种基于FPGA的灵巧干扰硬件平台的设计。FPGA通过EMIF总线共享外部RAM，协同实现对信号的高速处理，设计并用Verilog语言编写硬件平台控制软件。实验证明，该设计在软件控制下平台能够顺利工作，而且满足灵巧干扰平台功能的要求[7]。近年来，国际上高温超导微波器件的应用取得了重大突破，国内的高温超导微波应用也取得了重要进展。比如在移动通信、卫星微波接收机和气象雷达三方面的应用的非常广泛[8]。CIC滤波器由于只需乘法器不需要一些特殊结构，因此在移动电视直放站的数字信号处理中，可以高效地完成抽取滤波的任务。但C1C滤波器也有缺陷：它的通带下垂严重，二者信号折叠带衰减不充分，使得此两者难以兼顾。采用RS修正法和Kaiser—Hamming补偿法联合使用，使CIC滤波器的技术不断改进，有效地解决了该问题[9]。级联积分梳状滤波器是一种非常有效的结构，它是由Hogenaur引入的，具有结构简单、规整，需要的存储量小的优点。由于不需要乘法器，而且利用积分环节减少了中问过程的存储量，因此常常用在赢速采样(高速采样使得乘法器个数太多)和插值比很大(插值比大得滤波器的阶数过高，要存的系数太多)场合[10]。而且CIC滤波器已经被证明是高速和插值系统中非常有效的单元[11]。CIC滤波器是一种结构简捷，效率极高的抽取或内插滤波器，尤其适用于软件无线电通信系统中靠近A巾或D／A，处于高采样宰的数字前端使用。CIC滤波器的传输函数决定它尚存在自身固有的缺陷。其中有两个缺陷会直接造成信号失真：通带下垂,阻带衰减小充分。上述两种缺陷对抽取宽带信号时危害很大，所以必须加以改进[12]。为了产生调制信号的码元速率能在大范围内实时可变，采用插值滤波技术—— 多级积分梳状滤波器。在分析多级CIC滤波器的结构和特性的基础上，阐述了一种利Hogenaur“剪除”理论实现多级CIC滤波器的高效FPGA实现方法，并通过XILINX的时序仿真分析验证了该方法的正确性和可行性[13]。一种改进的积分梳状CIC滤波器，改进后的滤波器与传统滤波器相比，减少了信号失真，降低了系统功率消耗。在改变传统积分梳状滤波器的延迟因子的同时，将锐化(Sharpen)技术和相位分解技术应用于此滤波器。仿真结果表明，改进后的滤波器在通带范围内的波动很少，而且，具有较高的阻带衰减[14]。通带偏差和混叠镜像衰减难以满足软件无线电系统是针对传统的积分梳状滤波器在用作抽取抗混叠滤波器时需要解决的问题，因此设计了采用内插二阶多项式级联锐化滤波器的改进方法，扩展了其通带带宽的同时提高了阻带衰减，并简化了设计流程，降低了成本和开发周期，在实际中可以推广应用[15]。总结经过查阅一些资料发现：CIC滤波器是数字信号处理中的一个非常重要的部件，在电子通信，软件无线电，自动控制及生物医学等等很多领域起到了非常重要的作用，所以对它的研究具有非常重要的意义。[参考文献][1]何宾.FPGA数字信号处理实现原理及方法.清华大学出版社.2010（3）[2]刘彬彬，林伟.基于Matlab和FPGA的CIC滤波器的设计.2010（4）[3]张健,陈岩,王华,匡镜明.CIC滤波器在调制器应用中的性能研究.2006（4）[4]张杰，戴宇杰，张小兴，吕英杰.改进型CIC抽取滤波器设计与FPGA实现.[5]黄红兵，曹敦，吴志敏.软件无线电中的A/D转换技术研究.2007（12）[6]刘流棋，金力军，陈吉锋.软件无线电中抽取滤波器的研究与FPGA实现.2006（7）[7]瞿福琪，胡以华，焦均均.一种基于FPGA／DSP的灵巧干扰平台设计与实现.2009第13期[8]汤宇龙，张祥昆.高温超导滤波器国内外研究进展.2010第1期[9]华永平，刘楠，王书旺，顾斌.移动电视直放站中CIC滤波器的性能改进方法.2010（4）[10]王飞，粱清华.基于FPGA的CIC滤波器的设计.2009（4） [11]朱国军，张浩，张志军.基于FPGA的CIC滤波器实现.2006第11期[12]刘楠，刘磊.基于Kaiser—Hamm‘ing锐化法的CIC滤波器性能改进.[13]赵伟，王静，刘宇.基于FPGA的新型抗混叠CIC抽取滤波器的设计.2007（2）[14]张捷，何培宇，李心愿，徐自励，邓方.新的改进SharpenedCIC滤波器.2007（8）[15]凌云志，陈向民.基于FPGA实现高插入CIC滤波器.2009（6）