專利名稱：一種基于fpga實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，尤其涉及一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法。
背景技術(shù)：
濾波器在信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)、通信領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，對(duì)濾波器的性能和處理速度有非常嚴(yán)格的要求，特別是快速實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理速度至關(guān)重要。數(shù)字濾波器通常都是應(yīng)用于修正或改變時(shí)域或頻域中信號(hào)的屬性。最為普通的數(shù)字濾波器就是線性時(shí)間不變量(LTI)濾波器。LTI數(shù)字濾波器根據(jù)單位脈沖響應(yīng)的時(shí)間特性可分為無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器兩種。FIRCFinite Impulse Response)濾波器相對(duì)于 IIR( Infinite Impulse Response)濾波器有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，在保證滿足濾波器幅頻響應(yīng)要求的同時(shí)，還可獲得嚴(yán)格的線性相位特性，從而保持穩(wěn)定。由于在數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音信號(hào)處理、圖像處理以及自適應(yīng)處理等領(lǐng)域往往要求信號(hào)在傳輸過(guò)程中不能有明顯的相位失真，而IIR存在頻率色散的問(wèn)題，所以FIR濾波器獲得了更廣泛的應(yīng)用。FIR濾波器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在實(shí)現(xiàn)任意幅頻特性的同時(shí)，能夠保證嚴(yán)格的線性相位特性，同時(shí)其單位沖激響應(yīng)是有限的，是沒有輸入到輸出的反饋的穩(wěn)定系統(tǒng)。因此在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。高斯濾波器在眾多學(xué)科領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。盡管如此，高斯濾波器本身還有許多問(wèn)題有待于人們進(jìn)行深入的研究，比如它的設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)方法，還沒有一個(gè)令人滿意的理論可以給人們指導(dǎo)。這反過(guò)來(lái)制約了它的應(yīng)用。本發(fā)明的著力點(diǎn)就在于解決有關(guān)高斯濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中的基本問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法。本方法將高斯濾波器電路設(shè)為兩部分，一部分是FIR數(shù)字濾波器，它可以實(shí)現(xiàn)高斯濾波的功能；另外一部分是由存儲(chǔ)電平信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)直接查表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯濾波的功能，兩部分濾波功能可以通過(guò)控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行切換，即可滿足數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)高斯濾波器性能的不同要求。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法，其特征在于將FIR數(shù)字濾波方式的濾波器和基于波形存儲(chǔ)濾波方式的濾波器集成在FPGA芯片上，根據(jù)不同高斯濾波的要求，通過(guò)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL選取濾波的方式，開啟對(duì)應(yīng)的濾波器，當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為I時(shí)，通路選擇FIR數(shù)字濾波的方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為1，將FIR數(shù)字濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)；當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為O時(shí)，則通路選擇基于波形存儲(chǔ)的濾波方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為O，并將波形存儲(chǔ)濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)通路的高斯濾波。本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是通過(guò)本方法，使高斯濾波器可實(shí)現(xiàn)兩種濾波方式，一種采用FIR數(shù)字濾波器生成高斯濾波的方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相位線性，性能穩(wěn)定，輸入可以是有幅度的多比特?cái)?shù)據(jù)，而且通過(guò)Load (裝載)濾波器的系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同性能的高斯濾波器；另一種采用波形存儲(chǔ)的濾波方式，通過(guò)讀取ROM中數(shù)據(jù)作為輸出的頻率信號(hào)，具有占用的邏輯資源少，速度快，靈活性號(hào)，可靠性高且工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以作為二進(jìn)制輸入的高斯濾波器的實(shí)現(xiàn)；兩種方式實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，即可滿足不同要求的高斯濾波器。


圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路原理框 圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波方式的濾波器原理框 圖3為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于波形存儲(chǔ)濾波方式的濾波器原理框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明參照?qǐng)D1，一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法是將FIR數(shù)字濾波方式的濾波器和基于波形存儲(chǔ)濾波方式的濾波器集成在FPGA芯片上，根據(jù)不同高斯濾波的要求，通過(guò)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL選取濾波的方式，開啟對(duì)應(yīng)的濾波器，當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為I時(shí)，通路選擇FIR數(shù)字濾波的方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為1，將FIR數(shù)字濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)；當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為O時(shí)，則通路選擇基于波形存儲(chǔ)的濾波方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為0，并將波形存儲(chǔ)濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)通路的聞斯濾波。參照?qǐng)D2，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的FIR數(shù)字濾波方式的濾波器包括N級(jí)移位寄存器D，移位寄存器的個(gè)數(shù)N即為FIR (有限脈沖響應(yīng))濾波器的階數(shù)(一般階數(shù)不大于40)，數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過(guò)N級(jí)移位寄存器D延遲，每級(jí)移位寄存器D的輸入信號(hào)與每級(jí)的濾波器系數(shù)coef相乘后進(jìn)行求和，其求和計(jì)算結(jié)果即為FIR數(shù)字濾波方式濾波器的輸出頻率信號(hào)。參照?qǐng)D3.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的基于波形存儲(chǔ)的高斯濾波器包括五個(gè)移位寄存器D，移位寄存器D的每一級(jí)的輸出作為下一級(jí)的輸入信號(hào)，五個(gè)移位寄存器中的五個(gè)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在緩沖器(BUFFER)中，緩沖器通過(guò)串并轉(zhuǎn)換的方式將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并行傳輸給計(jì)數(shù)器，CLK為計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器根據(jù)過(guò)采樣率來(lái)決定累加次數(shù)，ROM中預(yù)先存儲(chǔ)好對(duì)應(yīng)五個(gè)輸入數(shù)據(jù)的高斯濾波的時(shí)域波形，最后將計(jì)數(shù)器累加次數(shù)作為ROM的輸入地址，根據(jù)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行ROM查表，以此讀取相應(yīng)的濾波后輸出的頻率信號(hào)。此濾波器一般用于GMSK的調(diào)制，數(shù)據(jù)輸入通過(guò)Nbit (比特)移位寄存器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高斯濾波器數(shù)字邏輯電路工作原理
FIR高斯濾波部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)N級(jí)延遲分別與濾波器系數(shù)coef進(jìn)行相乘后進(jìn)行求和，其實(shí)現(xiàn)了 FIR濾波器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)MATLAB (常用軟件名)計(jì)算出對(duì)應(yīng)不同帶寬的帶通、低通、或是高通高斯濾波器的參數(shù)，通過(guò)裝載不同的參數(shù)即可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的濾波結(jié)果。波形存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)高斯濾波部分存儲(chǔ)二進(jìn)制輸入的寄存器個(gè)數(shù)為M,實(shí)現(xiàn)對(duì)二進(jìn)制輸入N倍的采樣，ROM中存儲(chǔ)M個(gè)二進(jìn)制電平信號(hào)的高斯濾波器的時(shí)域信號(hào)相應(yīng)的疊加，其ROM的深度為2 X N，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)數(shù)器作為ROM的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)查找，ROM的輸
出即為高斯濾波的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法，其特征在于將FIR數(shù)字濾波方式的濾波器和基于波形存儲(chǔ)濾波方式的濾波器集成在FPGA芯片上，根據(jù)不同高斯濾波的要求，通過(guò)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL選取濾波的方式，開啟對(duì)應(yīng)的濾波器，當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為I時(shí)，通路選擇FIR數(shù)字濾波的方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為1，將FIR數(shù)字濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)；當(dāng)控制信號(hào)選通開關(guān)SELl為O時(shí)，則通路選擇基于波形存儲(chǔ)的濾波方式，同時(shí)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL2也置為O，并將波形存儲(chǔ)濾波的輸出數(shù)據(jù)作為最后輸出的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)通路的高斯濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法，其特征在于所述的FIR數(shù)字濾波方式的濾波器包括N級(jí)移位寄存器D，每級(jí)移位寄存器D的輸入信號(hào)與每級(jí)的濾波器系數(shù)coef相乘后進(jìn)行求和，其求和計(jì)算結(jié)果即為FIR數(shù)字濾波方式濾波器的輸出頻率信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法，其特征在于所述的基于波形存儲(chǔ)的高斯濾波器包括五個(gè)移位寄存器D，移位寄存器D的每一級(jí)的輸出作為下一級(jí)的輸入信號(hào)，五個(gè)移位寄存器中的五個(gè)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在緩沖器中，緩沖器通過(guò)串并轉(zhuǎn)換的方式將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并行傳輸給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器根據(jù)過(guò)采樣率來(lái)決定累加次數(shù)，ROM中預(yù)先存儲(chǔ)好對(duì)應(yīng)五個(gè)輸入數(shù)據(jù)的高斯濾波的時(shí)域波形，最后將計(jì)數(shù)器累加次數(shù)作為ROM的輸入地址，根據(jù)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行ROM查表，以此讀取相應(yīng)的濾波后輸出的頻率信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)高斯濾波器數(shù)字邏輯電路的方法。本方法是將FIR數(shù)字濾波方式的濾波器和基于波形存儲(chǔ)濾波方式的濾波器集成在FPGA芯片上，根據(jù)不同高斯濾波的要求，通過(guò)控制信號(hào)選通開關(guān)SEL選取濾波的方式，開啟對(duì)應(yīng)的濾波器。通過(guò)本方法，使高斯濾波器可實(shí)現(xiàn)兩種濾波方式，一種采用FIR數(shù)字濾波器生成高斯濾波的方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相位線性，性能穩(wěn)定，輸入可以是有幅度的多比特?cái)?shù)據(jù)，而且通過(guò)Load(裝載)濾波器的系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同性能的高斯濾波器；另一種采用波形存儲(chǔ)的濾波方式，通過(guò)讀取ROM中數(shù)據(jù)作為輸出的頻率信號(hào)，具有占用的邏輯資源少，速度快，靈活性號(hào)，可靠性高且工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，兩種方式實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，即可滿足不同要求的高斯濾波器。
文檔編號(hào)G05B19/042GK102983838SQ201210515640
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者張鵬泉, 馬彪, 曹曉冬, 李柬, 褚孝鵬, 范玉進(jìn), 張波, 趙維兵, 李羚梅 申請(qǐng)人:天津光電通信技術(shù)有限公司