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1、数字成形滤波器设计及FPGA实现摘 要本文对数字基带信号脉冲成型滤波的应用、原理及实现进行了研究。首先介绍了数字成型滤波的应用意义并分析了模拟和数字两种硬件实现方法，接着介绍了成形滤波器设计所需要MATLAB软件，以及利用ISE system generator在FPGA上进行滤波器实现的优势。文中给出了成形滤波函数的数学模型，讨论了几种常用成形滤波函数的传输特性以及对传输系统信号误码率的影响。然后介绍了本次设计中使用到的数字成形滤波器设计的几种FIR滤波器结构。把各种设计方案进行仿真，比较仿真结果，最后根据实际应用的情况并结合设计仿真中出现的问题进行分析，得出各种设计结构的优缺点以及适合应用
2、的场合。关键词：成型滤波器，FIR，FPGA，窗函数Design and FPGA Implementation of Digital Shaping FilterAbstractThis Paper investigates the problems about theory, application and implementation of digital base-band signal shaping. Firstly, it introduces the meanings of using shaping filter and analyzes the two ways of im
3、plementation: analog way and digital way. Secondly, it makes introduction about what used in design and implementation. Matlab in this paper is used to design and simulate the filter, and ISE system generator is helpful for filters of implemented by FPGA. This paper gives the mathematical model of t
4、he shaping-filter functions and discusses their transmission characteristics. Then, it introduces several FIR filter structures of digital shaping filter. Finally, it makes compares between the results of simulation, and analyzes problems appearing designing and simulation to find advantages and dis
5、advantages of different structures and the fitting situation.Key Words：Shaping filter; FIR; FPGA; Window目 录摘 要Abstract第一章 绪言11.1 引言11.2成形滤波器的应用11.3成形滤波器的硬件实现2第二章 开发环境与工具32.1 FPGA概述32.2 Matlab简介及使用32.3 ISE工具介绍4第三章 成型滤波函数及滤波器硬件结构设计53.1 无码间干扰传输函数的设计53.2 成型滤波器53.2.1 低通滤波器53.2.2 升余弦滚降滤波器73.3 FIR滤波器结构83.3
6、.1 直接型结构93.3.2 多相滤波结构103.3.3 过采样123.4 窗函数法设计FIR滤波器13第四章 仿真与分析174.1 仿真174.1.1 直接型结构174.1.2 直接型对称结构184.1.3 转置式结构204.1.4 8倍过采样结构214.1.5 多相滤波结构234.2 分析与心得24第五章 总结与展望27参考文献28致谢29附录30第一章 绪论1.1 引言在现代无线电通信中,由于基带信号的频谱范围都比较宽, 随着现代数字通信技术的发展，频带拥挤的问题日益突出。为了有效利用信道,在信号传输出去之前,都要对信号进行频谱压缩,限制信号的带宽必然会增加接收机端的误码率。1.2 成形
7、滤波器的应用为了提高频谱的利用率，除采用高效率的数字调制技术、正交极化技术(水平、垂直极化公用技术)之外，还广泛使用成形滤波技术，即对发送信号的频谱进行专门加工，使其在消除码间干扰(ISI)和实行最佳检测的前提下，压缩信号频带，提高频谱的利用率。成形滤波技术，可以在基带进行，也可以在中频(IF)和射频(RF)实现。由于中频和射频信号的频率较高，难以采用数字处理技术，实现的难度较大且不易实现线性最佳化。因此，成形滤波技术通常都是在基带上完成的。1928年，Nyqulst首先研究了信号传输无失真的条件。后来，人们把它继续向前发展，形成了数字传输系统普遍遵守的三大准则12，这就是Nyuqist准则。
8、Nyuqist准则指出了数字信号在无噪声线性信道上无失真传输的条件。Nyquist第一准则，又叫做无码间干扰准则，极限情况下可以从理想低通滤波器导出。理想低通滤波器在时域上形成的波形具有频带利用率高的优点，在无码间干扰的条件下，可以达到最高的频带利用率(2波特/Hz)。但是有两个致命的弱点。第一是理想低通滤波器在频域上的陡峭截止特性难以实现，第二是在时域上，波形的前导和后尾起伏比较大，衰减缓慢，码间干扰严重，以至于收端定时和实现网络的微小误差都可能导致严重的码间干扰。为了克服理想低通滤波器的缺点， R.A.Gibby和J.W.Smiht在1965年证明了若将理想低通滤波器的尖锐截止特性按一定规
9、律滚降，同样可以实现信号的无失真传输34。这种滚降特性不仅容易实现，而且其时域响应波形的前导和收尾起伏小，衰减快，因而在接收端对系统定时和实现网络精度的要求较理想低通滤 其频带利用率只有波特/Hz(称为滚降系数，)。1.3 成形滤波器的硬件实现在数字滤波器面世之前，脉冲整形电路是用模拟滤波器来实现的。不幸的是，模拟滤波器的响应特性受到元件值波动的影响，这种波动由公差范围、温度和老化等参数来标定，因此容易出现感应、杂散效应甚至振荡等现象，同时它的制作和调整较复杂，体积不易缩小，因而模拟成形滤波器只有在早期被使用5。与基带模拟成形滤波器相比，基带数字成形滤波器具有高精度、高可靠性、高灵活性的优点，
10、同时，还具有便于大规模集成、易于实现线性相位等特点。因而，在现代数字通信系统中，数字成形技术大多在数字域进行。数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。本质上它是完成从输入到输出过程的特定运算的数字计算机。对这样的计算机，可以有不同的结构形式来描述它。IIR(infinite Impulse Response)和FIR(finite Impulse Response)滤波器构成了数字滤波器的两大类。由于FIR滤波器有严格的线性相位，其单位冲击响应h(n)是有限长、稳定的，可以通过一些快速算法来实现。在许多实际应用中，通常用FIR滤波器来实现信号的滤波功能。设计FIR滤波器常用的方法有窗函
11、数法、频率抽样法、最优等波动法等。第二章 开发环境与工具2.1 FPGA概述FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（I
12、nterconnect）三个部分。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。2.2 Matlab简介
13、及使用MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。Simulink是Matlab中的一
14、种可视化仿真工具，广泛应用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink采用模块化建模方式，每个模块都有自己的输入/输出端口，实现一定的功能。在Simulink中仿真模型表现为若干个仿真模块的集合以及这些模块之间的连接关系，这就使得仿真的设计和分析过程变得相对直接便捷。6FDATool(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具，MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(Filter Design Toolbox)。FDATool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器，包括FI
15、R和IIR的各种设计方法。它操作简单，方便灵活。2.3 ISE工具介绍Xilinx作为当今世界上最大的FPGA/CPLD生产商之一，长期以来一直推动着FPG刀CPLD技术的发展。其开发的软件也不断升级换代，由早期的Foundation系列逐步发展到目前的ISE8.2系列。ISE是集成综合环境的简称，它是Xilinx提供基于FPGA的多相滤波结构研究与实现的一套工具集，其中包括了设计输入工具、综合工具、仿真工具、实现工具和辅助设计工具等五类，这些工具可以完成整个FPGA/CPLD的开发过程。Xilinx System Generate for DSP软件是由Xilinx公司开发的Matlab/Simulink环境下的一个工具箱，在使用FPGA作为原型平台运行算法时，这一新软件不仅能够对硬件的真实情况进行仿真，还能够自动生成硬件实现时所需的硬件描述语言代码。与语言设计方法相比，使用Xilinx System Generate for DSP有三个主要的优势：第一，图形化操作，简单易用；第二，实现的算发能确保与仿真结果相符；第三，无需为仿真和实现建立不同的模型。7第三章 成型滤波函数及滤波器硬件结构设计3.1 无码间干扰传输波形的设计Nyquist第一准则指出了在带限情况下，无码间干扰数字传输的充要条件。假设数字信号传输波形为，其傅里叶变换为，码
