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基于FPGA波束形成自适应FIR数字滤波器新方法

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基于FPGA波束形成自适应FIR数字滤波器新方法

A Method of Improved Beamforming based on novel DA algorithm and Implementation on FPGA

摘要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

CONTENTS

NOMENCLATURE

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 Goals and objectives

1.3 The present development status of domestic and overseas

1.3.1 FIR digital filter

1.3.2 Adaptive modeling in FIR digital filter

1.3.3 The problem to be resolved

1.3.4 The content researched in this paper

ADAPTIVE BROADBAND BEAMFORMING

2.1 Broadband beamformer

2.2 Adaptive modeling in FIR digital filter synthesis

2.2.1 FIR digital filter and its DA algorithm

2.2.2 Adaptive FIR digital filter

2.2.3 Linear Phase Constrained LMS Algorithm

2.2.4 Adaptive Adjustment for Amplitude-frequency Characteristic

2.3 Summary of this chapter

PROGRAMMABLE LOGIC DEVICES AND FPGA

3.1 Programmable Logic Devices

3.2 The Advantages of FPGA

3.3 FPGA

3.3.1 FPGAs Description

3.3.2 Hardware Description Languages

3.4 Summary of this chapter

THE IMPLEMENTATION ON FPGA

4.1 Introduction to the tools and its exploitation environment

4.1.1 DE2 board

4.1.2 Its supporting materials

4.2 Implementation

4.2.1 The floating-point

4.2.2 FIR Digital Filter

4.2.3 Improvement of the DA architecture

4.2.4 CLMS algorithm

4.2.5 The iteration algorithm

4.3 Performance Analysis

4.3.1 DA algorithm

4.3.2 CLMS algorithm

4.3.3 Iterative algorithm

4.4 Summary of this chapter

CONCLUSION AND FUTURE RESEACH

REFERENCES

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

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摘要

自适应波束的形成是自适应阵列处理的重要内容。由于原来算法中价值函数的求解复杂,原本DA算法FIR数字滤波器高阶占用资源大,本文提出一种基于FPGA实现的改进的波束形成的算法和改进的FIR数字滤波器的结构。
  本课题研究的目的在于为改进波束形成于数字信号处理中的准确性和快速性以及资源占有问题。
  本文首先介绍了波束形成的原理以及FIR数字滤波器基于FPGA的DA算法以及分析了在设计自适应FIR数字滤波器价值函数的作用。然后在原有DA算法的基础上对DA算法的LUT结构进行改进,利用查找表中系数的对称性简化查找表结构,在Altera的开发软件QuartusII下用VHDL编写程序,通过外挂仿真器Modelsim仿真分析比较了改进前后的FIR滤波器资源占用。结果表明改进后的结构要比改进前的结构资源占用少。
  接着针对价值函数的特点提出了求解优化的价值函数值的方法。该算法是迭代算法,利用每次迭代后滤波器结果的幅度响应与期望幅度响应的差值计算合适的价值函数,该算法针对FPGA并行处理和适合迭代简单计算的特点设计,占用资源较少。通过仿真可以看到迭代次数越多,得到的结果越接近期望值。
  其次,本论文还针对波束形成器的实现设计了浮点加减乘除法器。由于FPGA只支持定点运算,需要将小数转化成浮点制,并采用定制的格式。根据精度需要和考虑到FPGA资源,本文选用10位的浮点数,用VHDL编程,仿真结果表明设计出来的浮点加减乘除法器占用资源少,而且能够计算准确。
  自适应算法中,为了使输出方差和能量达到最小,本文选用了线性约束最小方差,结合改进的FIR设计了他的结构。
  最后,本文对前面的研究做了简要总结并展望了该新方法的进一步研究。该论文对波束形成在FPGA上更好的实现与运用有了一定的参考价值。

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