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    基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现

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    基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现

    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FPGA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.WHENTHEFASTDIGITALSIGNALPROCESSORDSPISSTILLUNABLETOMEETTHESPEEDREQUIREMENTS,THEONLYCHOICEISTOINCREASETHENUMBEROFPROCESSORSORADOPTCUSTOMER’SCUSTOMIZEDGATEARRAYPRODUCTS.WITHTHEDEVELOPMENTOFPROGRAMMABLELOGICDEVICETECHNOLOGY,FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGAWITHMASSIVELYPARALLELPROCESSINGCAPABILITYSHOWSSUPERIORITYINCOST,PERFORMANCE,SIZEETC.INTHISPAPER,SIGNALPROCESSINGALGORITHM,SUCHASFASTFOURIERTRANSFORM,DIGITALFILTERING,ANDCORRELATIONALGORITHMARERESEARCHEDANDEFFICIENTLYREALIZED.FIRSTLY,ACCORDINGTOTHEREALTIMEREQUIREMENTOFIMAGINGSONARANDTHERESOURCECONSTRAINTSOFTHEFPGA,FFTPROCESSORWITHCASCADEANDPARALLELRECURSIVESTRUCTUREISDESIGNED.THEMETHODTOINCREASECALCULATIONSPEEDWITHPIPELININGANDPARALLELPROCESSINGTECHNOLOGYISDISCUSSEDINDETAIL.SUBSEQUENTLY,SOMEOPTIMIZATIONANDIMPROVEMENTOFBUTTERFLYARITHMETICUNITISPROPOSED.SECONDLY,THECHARACTERISTICSOFTHEDIGITALFILTERINGAREANALIZED,SOISTHECORRELATIONCALCULATIONWITHTHESAMESTRUCTURE.THESTRUCTUREWITHMULTIPLIERANDTHESTRUCTUREWITHNONMULTIPLIERAREADOPTEDINMULTIPLYACCUMULATECALCULATIONMAC.DISTRIBUTEALGORITHMDAISADOPTEDINTHENONMULTIPLERSTRUCTURE,WHICHCANGREATLYIMPROVETHECOMPUTINGEFFICIENCYBYCONVERTINGMULTIPLICATIONTOLOOKUPTABLEINPFGA.INADDITION,THECORRELATIONALGORITHMINFREQUENCYDOMAINISRESEARCHEDINTHEPAPER.FINALLY,THEPRETREATMENTSYSTEMOFIMAGESONARISCOMPLETED,ANDTHERECEIVING,FILTELORTHOGONALTRANSFORMATIONANDTRANSMITOF160CHANNELSSIGNALAREREALIZEDONONEPIECEOFEP2S60.ACCORDINGTOTHETESTINGRESULTS,THEALGORITHMRUNSWELLINTHEEXPERIMENTANDITFULFILLSTHEPREDEFINEDREQUIREMENT.KEYWORDSFPGA;PARALLELPROCESSING;FFT;FILTERING;CORRELATIONALGORITHM哈尔滨工程大学学位论文原创性』声明本人郑重声明本论文的所有工作,是在导师的指导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字洳艾嘣日期IO.P年3月R7日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文口在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者签字哿艾明日期ZQO≥C,2】虹刀】C0X0C1X1CN一1】XXN一1】47假设系数C】是已知常数,XN是变量。无符号DA系统假设变量XN的表达式如下疗一LXM∑%门】26,%IN∈【01】48B0其中%【门】表示可的第B位,而XN是X的第刀次采样,内积Y可以表示为N1B1Y∑C【】∑X。后2649NOHO重新分别求和,其结果如下YDO】X川【0】2川X蹦O】2肛2XO0120C1】X嚣一I112口一1X艿一2112片一2工O1120CⅣ一1】XJ|『一LN12B一1X冉一2Ⅳ一112艿一2XOⅣ一11204一LO写为更简洁的形式如下哈尔滨丁程人学硕十学位论文Y∑26∑C聆】X。【以】∑26∑FCTN,X。【】411B0NOB0N0上式的实现方法就是利用LUT实现映射厂C舱】,X。M】】。也就是说2。Ⅳ字宽,预先设定程序的LUT查找表接收一个N位输入向量X。【%O,%1】,...%Ⅳ一1】,输出为厂D,Z,X。【聆】。各个映射都由相应的二次幂加权并累加Ⅲ1。接着讨论如何处理有符号的补码数。在补码中,最高有效位是符号位。设有符号数的数据宽度为B1,则XN】可以表示为疗IXM之6XX嚣M∑秭M26412BO得到的输出Y如下疗1NIY26XX“以∑%∑厂C门H㈣413B0N0图4.7是分布式算法的总体框图。可以看到分布式算法出输入数据存储单元、LUT查找表以及移位累加等单元组成。图4.7DA结构的滤波器框图图4.7中LUT的大小随滤波器的阶数N的增大呈指数增大对非线性相位为2Ⅳ,对线性相位为2川2,若系数N过大,用单个LUT来实现FIR滤波器所需要的存储空间就会很大。如实现一个64阶滤波器需要2“字的系数存储空间,这样大的存储空

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