匹配滤波器的FPGA实现文档格式.doc

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杨伏华

职称：

副教授

解放军理工大学训练部制表

二〇一四年六月

解放军理工大学本科毕业设计论文中文摘要

III

摘要

扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有很强的抗人为干扰，抗窄带干扰，抗多径干扰的能力。

并具有信息隐蔽、多址保密通信等特点。

目前己从军事领域向民用领域发展。

而数字匹配滤波器（DMF）更是作为关键部件在通信和雷达接收机中应用广泛。

文章开篇把传统声表面波匹配滤波器与数字匹配滤波器进行了简单比较并且简要介绍了数字匹配滤波器在数字通信直扩系统中的应用。

分析了匹配滤波器的重要参数和电路基本结构。

第二部分主要介绍了论文所涉及的一些理论背景。

同时还介绍了用来实现这些模块的硬件描述语言-VHDL和Altera公司的QuartusII6.0开发平台。

第三部分给出了倒置数字匹配滤波器基于FPGA的具体实现方法，并对仿真结果进行分析。

最后部分对论文进行了总结。

数字匹配滤波器有多种结构，本文提出的基于倒置结构的实现具有较高的精度和较快的捕获速度，与直接结构相比，倒置结构没有加法延时链。

关键词：

数字匹配滤波器；

VHDL；

现场可编程门阵列；

QuartusII；

倒置结构

解放军理工大学本科毕业设计论文ABSTRACT

ABSTRACT

Thespreadspectrum（SS）communicationsystemhasstrongerabilityofresistingjamming,narrowband,andmultipathinterferencethanthatoftheconservationcommunicationsystems.Anditalsohasthecharacteristicsoflowprobabilityofinterceptandmultipleaccesssecurecommunication.Nowadays,theSStechnologyhasexpandedfromthemilitaryfieldtothecommercialfield.And,DigitalMatchedFilter（DMF）asthecriticalsectionofspreadspectrumcommunicationsystemhasmoreandmoreapplicationincommunicationandradarreceiver.

ThearticlebeginswithasimpleintroductionofhowDMFapplytodigitalcommunicationDSSSSystemandasimplecomparisonbetweenthetraditionalSAW-MFandDMF.Then,thepaperhasanalyzedtheimportantparameterandbasiscircuitframeworkonmarchedfilter.Parttwomainlyintroducesthebackgroundrelatedtothetheory.Meanwhile,italsointroducesthedesignplatform-QuartusII6.0ofAlteraCompanyandtheVHDL-asortofhardwaredesigndescriptionlanguage.ThethirdpartgivesthespecificimplementationofaninverteddigitalmatchedfilterbasedontheFPGAandtheanalysisofsimulationresults.Atlastthethesisissummarized.

Thereareavarietyofstructuresofdigitalmatchedfilter.AsproposedinthispaperinvertedstructureDMFachievehighaccuracyandfastacquisitionspeed.ComparedwiththedirectstructureDMF,thereisnoadditivedelaychainintheinvertedstructureDMF.

Keywords：

DMF；

FPGA；

invertedstructure

解放军理工大学本科毕业设计论文目录

目录

中文摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

1绪论 1

1.1传统声表面波匹配滤波器与数字匹配滤波器 1

1.1.1传统声表面波匹配滤波器 1

1.1.2数字匹配滤波器 2

1.1.3数字匹配滤波器的优缺点 3

1.2数字匹配滤波器在数字通信直扩系统中的应用 3

1.3可编程逻辑技术的发展 5

1.4基于EDA技术的FPGA应用前景 6

1.5论文的主要研究内容及工作 6

2理论基础及设计平台简介 7

2.1数字匹配滤波器的工作原理 7

2.2数字匹配滤波器的结构及特性分析 8

2.3系统开发语言VHDL简介 11

2.4Xilinx公司的ISE开发系统 12

2.4QuartusII开发系统 13

3系统设计与实现 15

3.1总体设计 15

3.2码偏移器 15

3.3M序列发生器 16

3.4倒置结构数字匹配滤波器 18

3.5码灌入 18

3.6总体电路实现 18

3.7仿真结果及分析 19

4论文结语 22

参考文献 23

解放军理工大学本科毕业设计论文1绪论

一绪论

（一）传统声表面波匹配滤波器与数字匹配滤波器

1传统声表面波匹配滤波器

声表面波是指声波在弹性体表面的传播，这个波被称为弹性声表面波。

声表面波的传播速度比电磁波的速度约小10万倍。

声表面波滤波器是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中，以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大大提高。

声表面波滤波器的结构如图1.1所示。

它由压电材料制成的基片及烧制在其上面的梳状电极所构成。

当给声表面波滤波器输大端输入信号后，在电极司压电材料表面将产生和外加信号频率相同的机械振动波。

该振动波以声波速度在压电基片表面传播，当该波传至输出端时，由输出端梳状电极构成的换能器将声能转换成交变电信号输出。

图1.1声表面波滤波器结构

从上面介绍不难看出，声表面波滤波器是由两个换能器组成的，输入端换能器将电能转换成声能发出声表面波，而输出端换能器则是将接收到的声表面波声能转换成电能输出。

声表面波滤波器就是利用压电基片上的这两个换能器来产生声表面波和检出声表面波的，以完成滤波的作用。

声表面波滤波器具有以下特点:

●选择性好。

选择性一般可达140dB左右，可确保图像的清晰度；

●频带宽，动态范围大，且中心频率不受信号强度的影响，能确保图像、彩电、声音的正常传输，不相互干扰；

●性能稳定，可靠性高，抗干扰能力强，不易老化；

●使用方便，装配时只需插入和焊接即可，无需调节；

●插入损耗较大，使用时需在前级加宽频带放大器，以补偿插入损耗。

2数字匹配滤波器

数字滤波器是一种利用程序运算将模数转换后的数据值进行预定要求的处理的运算部件，它是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。

作为一种电子滤波器（滤波器电路），数字滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。

数字滤波器工作在数字信号域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。

数字滤波器一词出现在60年代中期。

由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。

应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。

数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1/2抽样频率点呈镜像对称。

为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。

数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。

数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。

数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比。

这主要是因为数字滤波器是以数字器件执行运算，从而避免了模拟电路中噪声的影响。

数字滤波器中主要的噪声源是在数字系统之前的模拟电路引入的电路噪声以及在数字系统输入端的模数转换过程中产生的量化噪声。

这些噪声在数字系统的运算中可能会被放大，因此在设计数字滤波器时需要采用合适的结构，以降低输入噪声对系统性能的影响。

数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。

组成模拟滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的变化而漂移，而数字电路就没有这种问题。

只要在数字电路的工作环境下，数字滤波器就能够稳定可靠的工作。

数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。

它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。

应用最广的是线性、时不变数字滤波器，以及fir数字滤波器。

数字滤波器理论上可以实现任何可以用数学算法表示的滤波效果。

数字滤波器的两个主要限制条件是它们的速度和成本。

数字滤波器不可能比滤波器内部的计算机的运算速度更快。

3数字匹配滤波器的优缺点

大家都知道，数字化与集成化有利于提高系统的可靠性、降低成本、减小体积和功耗，因此通信终端的数字化、集成化是未来通信技术发展的必然趋势。

随着大规模集成电路和计算机技术的发展，通信系统数字化的程度日渐提高，近年来更是提出了全数字化接收机的概念。

直接序列扩频通讯方式由于具有众多优良的特性而一直作为军事通信的主要技术支撑。

不仅如此，它的多址能力、抗干扰能力和抗多径衰落的能力也使其在民用领域的应用前景看好。

目前，直扩通信系统中的数字化已经不限与个别部件，如美国StanfordTelecom的一种直扩收发专用芯片STEL-200A已经实现了中频和中频以下的全数字化处理。

匹配滤波器（也称相关器）是直扩通信系统中的关键部件，相对而言实现