基于FPGA的数字滤波器实现技术研究

随着数字信号处理技术应用的不断深入，数字信号处理系统的实现面临着很多挑战，其中面临的四个主要问题是：速度、设计规模、功耗和开发周期。因此许多数字信号处理的实现方法被提出，其中基于FPGA的实现技术就是其中的重要技术之一。 本文以数字信号处理系统的实现为应用背景，着重研究了基于FPGA的数字滤波器实现技术。本文分为两个主要部分： 第一部分以Xilinx公司的FPGA为例，总结了FPGA设计的基本方法及设计流程，并在此基础上介绍了一种用于产品快速开发的设计方式—基于SystemGenerator的设计方式，这种设计方式向数字信号处理系统的设计者提供了自上而下的FPGA解决方案。 第二部分系统地研究了基于FPGA的数字滤波器实现技术。该部分首先研究了三种适合于FPGA的FIR滤波器实现方法，直接结构、转置结构及分布式算法。其次，讨论了针对直接结构FIR滤波器的乘法器优化技术，CSD编码和系数分解，以及针对转置结构FIR滤波器的乘法器优化技术，简化加法器图，并结合实例给出了它们的优化效果。再次，介绍了直接结构FIR滤波器中常用多操作数加法实现方法，二叉树和Wallace树，并在Wallace树的基础上提出了一种适合于FPGA的1比特多操作数加法结构，这种实现结构在实现采样字长与系数字长均为l比特的FIR滤波器时，使FPGA的资源利用率得到明显提高。最后还给出了三种FIR滤波器实现方法在FPGA中应用的优缺点及其适用性，并给出了一个带通滤波器的设计实例。 论文的研究成果已应用于“北斗一号”导航定位接收机中。