基于FPGA的罗兰C前端IIR数字带通滤波器设计.pdf

罗兰C（Loran-C）是一种基于陆基无线电信号的导航系统，它能够在全球范围内进行定位、导航与授时（PNT）。由于罗兰C的工作频率在90至110kHz的低频段，因此具备水下信号接收的可能性。近年来，研究者关注于利用磁天线接收罗兰C信号，以实现水下隐蔽定位，这使得接收机前端的数字带通滤波器变得格外重要。 数字带通滤波器的主要功能是从信号中提取出特定频率范围内的成分，它能够有效地抑制带宽之外的干扰和噪声。实现数字带通滤波器的方法多种多样，包括无限冲激响应（Infinite Impulse Response, IIR）和有限冲激响应（Finite Impulse Response, FIR）滤波器。IIR滤波器与FIR滤波器相比，前者具有更高的滤波效率，并且所需的阶数更低。IIR滤波器的设计可以在很大程度上借鉴现有的模拟滤波器设计成果，尤其在对信号的相位要求不是很高的场合，IIR滤波器是一种经济高效的选择。 为了在硬件层面上实现罗兰C数字带通滤波器，本文提出了在FPGA（Field-Programmable Gate Array）平台上，通过级联形式来设计并实现该滤波器的方案。具体来说，设计工作首先在Matlab环境中完成，设计出满足罗兰C接收机前端要求的数字带通滤波器。Matlab作为强大的数学计算与模拟仿真工具，提供了直观的滤波器设计接口，方便用户快速完成滤波器的设计和仿真。 设计过程中，滤波器参数的取整是关键步骤之一，它需要考虑到硬件设计的要求。参数取整前后滤波效果的比对分析有助于评估取整对滤波性能的影响。通过Matlab的仿真，可以确保硬件实现前，滤波器的性能符合预期。仿真中采用级联式差分方程模拟硬件滤波算法，其目的是在硬件编程之前最大程度地提高设计的成功率。 硬件实现部分，则是通过Verilog编程语言在FPGA上实现。Verilog是一种硬件描述语言（HDL），非常适合描述数字电路。与Matlab的仿真相比，Verilog编程能够将数字信号处理算法直接映射到FPGA芯片上，实现高性能、低延迟的硬件加速。 在FPGA上实现IIR数字带通滤波器时，采用级联形式的设计方法。级联设计的优势在于，相较于单一结构设计，它在实现同等性能的情况下能够减少所需的存储单元数量，从而降低硬件成本，提高经济效益。 通过采集实际的罗兰C信号，对设计完成的滤波器进行测试验证。测试结果表明，该数字带通滤波器能够准确地从信号中提取出所需的频率成分，达到了设计的预期效果。 本文对基于FPGA的罗兰C前端IIR数字带通滤波器设计进行了深入研究，从滤波器的设计到在FPGA上的实现，再到实际信号测试，每一步都提供了详细的过程描述和技术细节。此研究不仅为罗兰C系统提供了高性能的信号处理解决方案，也为类似应用场景提供了设计IIR数字滤波器的参考和指导。通过本文的理论与实践相结合的研究方法，也证明了在FPGA上实现复杂数字信号处理算法的有效性和可行性。