Thực hiện bộ lọc FIR thích nghi dùng thuật toán LMS

FPGA được thiết kế đầu tiên bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tích hợp số lượng tương đối lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so

ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký Hiệu Diễn Giải  ASIC        CPLD     DSP       !" F I  R   !# FG $ H%D L  IC &&&  && & '(# '( # & LED ( L)U(     P A L  PLA Nguyễn Anh Cường * ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp   &  & " RA M "+ ROM ",-, RS,-,  S  o c " "   SPLD . U  S B /$ V$ H%D L /$ VHIC Nguyễn Anh Cường , ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU 012345617 819 :  ;  < => ? :  @ 2 <  9A : 2BC ;  ; DEF : DGF < 18ECH ; IJ < A :   K LMN(A29A :  < A K  ; J ; DOPQ?RDL D=34NCS7EFTEUDI)9ODL)RHD=DC? AQDMVN/J ; I : 2!#DWDF ; E9 :  K  < I < 9EF ;  ;  A : A :  K  < E <  : E : A < N(5DXCY>)> Z!#R>V1C?S1EU)[T6\Q ]C5N012\BDXG2!#DE^?_V 1CDOP)8E^5CU1`C6816\ TN0V?_T>L!#aXW2bcC68 1)92d_28O2]>)>efASIC prototypingg2C6 8D])=T2I5BSR2BS>M2BW72 9YQ?C5NNNhi62U)RHCBY2E\ 3_M= DGS>)>LY[1\N 5Y5>T1!#DWS2>Dj7!#1 EUA?LYN(1)CB12Y1X?_ _=L!#3456 8DM1kThực hiện bộ lọc FIR thích nghi dùng thuật toán LMSlNh]1DE^T6SO56_AkCác hệtích hợp thông minh ( SIS LAB)lTXE\hS796mh$n#$0N &I1RFCQ9CDi61#N((Qn/ 1(N0opA$`DWBYEUe1qDrD=11R BH1XC8DsN \1)>?MSA9Y1)9=C)P  M2 YBaBDE^C4)>DMMLCQ91CSN &I1RFt $10X201,u(C-0H,vvw 0oE\ Nguyễn Anh Cường - ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp EF* (x0#n0/y!#/z0#{00#|/$ *N*N(x0#n0/y!# 1.1.1. Lịch sử ra đời của FPGA !#DE^>)>DQA}" !2E\ CB9~1 H*•w€2)>qUL!#Z5^ 8E^EFD8UCQ 3Ce1*S U)>qEUDM1N!#M)RH? U•*vvNvvvD>11‚G2)[?•*vNvvvD> *vvNvvvGƒ 81D8U2OaFV[DS1Y D>*vNvvvN DE^aq• 8E^aDjC)8fSimple programable logic device)BV[2NE\1XR0„+" BYDE^M)5EUCDj1?X 8E^S>CQ3U DbXfclocked registergNaq1S>)RHT6V1? S19E\6 a16LS_X1aq_=L SF11AQ1CN p>qL!#1)>qRC)82…)81PF] >D  CUX)82ED=1q!#M=?]F CQ31C8D)RHBYLCQ3168 S)>82D=DSDE^_D51Y)>qL!#?SF]  UN XD=)C6VU1V!#6DSDE^5^ ]X 87DWDE^8EM2…^"2"+28DX2CX I2X`V?_3456 8N 01)RHaqSS}?1_2X 8!#6DSO …^aqS}?_X2?1)RHaqSXXBA† )eDRRSDXYE\CXB)C Nguyễn Anh Cường € ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp 1.1.2. Khái niệm cơ bản và cấu trúc của FPGA !#fField-programmable gate arrayg1S`aqRQ3 1E\`M=BYDE^NVfield }DI8[D>)RHC BYkA1l‡_D5?_LE\ 3_2)9_X 1I] Ra?SL1CCeNp>qG]!# DE^9REY*c Hình 1:p>qGL!# Nguyễn Anh Cường ˆ ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp /S!#DE^a1•CXBc • Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) Q35L!#1C)8flogic blockgNp8DE^a 1•(1XQ3UDbXmN(fLook up tableg1)8 M=T6a)Y11•€DQ12)>RL11` 1_D5131)8T>9Q3U mN p8DE^9REY,c Hình 2:p8BYDE^L!# (16EUeLCO!#L~O 3_)C6 &2*b€)8S12 8E^C DG•1 YD>1_Y`S!#N • Hệ thống mạch liên kết lập trình được SA)>!#DE^a1•CDE\)>8EF 1D?2`•S!#1CDE\)>8DE^1 CM)C25_~€vvvL~M-S)>8c‰21 1a1NCDE\)>8DE^8U9C)8=S BYDE^fprogramable switchg2X)8=S?X 8 E^q=BYDE^2DRRCSA)>?S)C N • Khối vào/ra (IO Pads) p81„]51‡X1•S!#NqM=DE^)> 8UC>jA1E&2.2",-,2"NNNN‡_D5 3_ • Các phần tử tích hợp sẵn 01C)82`CS!#)C1MCQ35 ^A)C25_D=>)>V?_2O/€2 ˆL~M?I34%2V?_345 Nguyễn Anh Cường Š ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp 6 8!#DE^5^C1XI2X8DX2 T61‹.Œ25_O/L~?•1_D>1 H  U2.2*wmN 1.1.3. Các ứng dụng của FPGA •_L!#bc3456 82C681)92d_2 8O2]>)>efASIC prototypingg2C68D])=T 2I5BSR2BS>M2BW729YQ? C5NNN 5DXCY>)>Z!#R>U V1C?S1EU)[T6\Q]C521 \BDXGU!#DE^?_V1CDOP)8E^ 5CU1`C6816\TN *N,N(x0#n0/y0#{00#|/$ (>)>BY!#DE^T6L>ŽC9V9R Q?$E/$2/NNNCW Ra!#UE~2 E\aCMQ]1>j_^CY>)>2dM X 8CW?aCMQ])=1E  2NNN CMQ]1M)RHT6aRCEUL1XY> )>•UDQ11W>)>A$fO71W"(gN (1BH12M 3_9V9RQ?/$2DM [BY=]9V/$N 1.2.1. Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL /$19V9RQ?CS5^8DXa21X S9V9RQ?DE^C=`EFY/$f/ $gLX8O•N_AL6C= /$1MDE^X9V9PQ?A•18a Z36C68 8FdEZo1DEC6 8DM1?_T>N09V/$DE^9 2 .1(   ‰DQA?C=1CuH*•w-NA RDQADE^981Cwm*•wˆNDM/$DE^D]aD=G? Nguyễn Anh Cường u ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp &&& Z 1 X A • N 0H *•wu DW DE  A• ] /$fA•&&&m*vuŠm*•wugN /$DE^C=D=R>C)M)H6C=2DG 1B16C68 8N0EDW>2X68 8Ma]16 9RNh=M=B1RY 3VX68QY=)•Er1 6DMN/UX9V9PQ?86ZC169R} Ao1FYX16DMM=DE^TD=9PSDXL6 8N0E>M=Z1XCQ3L68SDXX 9Y8aN /$DE^C=EX9VDXB)9‰Ua)‡X EFC>)>2XX9R96Q?1N0E\>)>M= TT7962EFC>)>)[ 3_X9V aN/1)D  CUC9V9PQ?)CDW)=} Aa/$MX 8ED=F‘C9V)Cc mThứ nhất159Xc/$DE^C=EU TR^L5 L•161XA•L&&&N/$DE^ T…^L ]1 Ra>jdE]1a9_>)>9 P68N mThứ hai1)RH…^]961EFC>)>N/$ Z>)>Ž]EFC25_EFC>)>•A82 •EUAT1CE6 ’MN/$d…^]S 9_ITSE 3_96DbX)9DbX2 3 _BBYDE^ 3_ReAN mThứ ba15DXBU96c/$11DXBU96 >SQ?NX9R68`/$>)>}?GM= DE^=1CRG^S)C‡X96> SQ?UD\MM=DE^C_C68DW> )>N mThứ tư1)RH9R}Xc/$Z9RSDXLQ ?•?68 8D>?GN/$M)RH9RSDX L68A]?E[ 3_XqCi“8a 7?N0E>M=9PXR>)>bRC6 DE^9R>N Nguyễn Anh Cường w ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp mThứ năm1)RHDG)>Rc/Y/$1XA•DE^a B2AX9Y/$M=SA7X9RDC?DE^A •/$NC)>R9R68M=DE^DGVC1> )> 3_9_>)>)CE`IA•/$N dEXM>)>M=DG9R?LC68 X68UfDMC6DMDE^>)>DXBgN mThứ sáu1)RH…^>)>?U1)RH 3_SC>)>c /$DE^C=EX9VBYB2YBMM= DE^ 3_D=>)>X68UU TLXM] E\N.A9V/$M]5H…^6R423 61 †>)>N/1MdZ`SCQDWM ’N 1.2.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng ngôn ngữ VHDL _D5LQ1 “ŽU6 F]aq)FRL /$)9RX9Y>)>TN (9E\X9Y/$bQcT=2)>q1C aYNh9)3_CMf) g19Y)=SDXL6 8f gN + Thực thể (entity)cpCT=/$1QDj”C[ A51LXQ3X68N(TaL6)CT= 51)C6L68UA1N(M=MaRC9 D=)>8S1S)CS>)>CIDQ1___D5 36N(ASDXB TLS)9Ž}Q)C1 + Kiến trúc (Architecture): Q?,9Y/$1)C)> qN…X)CT=D]RD)•U5aX)>qEF?N /$ZSFX)>qXT=NQ)C)>qM =bC)C]C56A2CQ3A682 C11L_9RSDXL68N(AL)>q1WDE^Di ‡E\ 3_NMC9R)>qLXQ3fi68g DM19YSDXf.g9R9YaqfgN( AX68M=bR9R9YSDX19R9 YaqN + Mô tả kiến trúc theo mô hình hoạt động: 9YSDX9RCS DXL68f68DC?UC561E>11DE)>R Nguyễn Anh Cường • ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp YDQgEUSCaq9VBYBNaqDMM=1 "+&2–(2!2&2!+"m++— + Mô tả kiến trúc theo mô hình cấu trúc: 9YaqLXQ3 fi68gM=b]aaq‰DQ•XGDFR D>IT9RX6816N(TaL69R9 Yaq19RCQ3A681 T)>8LCQ3 DMN0EU5_9R9YaqXm"bG00M =9RG00DE^Dj”EFTE5_UG0+(2 DM9R FDbM8CQ300S1F" + Cấu trúc Process:  1)8FRL69RSDXN  DE^ZD>E1X…C1DXDF 8CYjN aqGCc + Môi trường kiểm tra (testbench): XC6_a71 )=R9R>)>Np=X9Y/$DE^T6ŽC  CSDXLM)9P1CCjDE^M=D  CUAQ>)>N 9E\)=M==EXS)=RN9E\)= CCDXAR>)>1Z Ci  C)>RS DXLR9R>)>N(9E\YCR9RD]aEFY 3N0EdM=TITEFY3f gNS3Ta 1 T)>^LG^]1QN0Mb1Qc9Y/$DW )=2bV61X CN$SDXL9Y/$DE^)5 5}CbV61)=5DqD‰9X CN EF, Nguyễn Anh Cường *v [tên nhãn]: process [(danh sách các yếu tố kích thích hoạt động)] [khai báo các biến] begin [các câu lệnh] end process; [...]... TRUYỀN THỐNG Lưu đồ tiến hành thực hiện bộ lọc FIR truyền thống như hình 15: Dao động ký Máy phát ADC FPGA DAC Hình 15: Lưu đồ thực hiện bộ lọc FIR truyền thống Sau khi qua biến đổi ADC, dữ liệu được biểu diễn dưới dạng số bù hai sẽ được đưa vào FPGA để xử lý FPGA có nhiệm vụ thực hiện thuật toán lọc theo yêu cầu của người lập trình Sơ đồ thực hiện thuật toán đối với bộ lọc FIR được trình bày như trong... tốt nghi p 3.2 CẤU TRÚC CỦA MẠCH LỌC THÍCH NGHI Cấu trúc thường được sử dụng trong mạch lọc thích nghi được mô tả như hình 10: x[n] z-1 x wo[n]] x[n-N+1] x[n-1] z-1 z-1 wN-1[n] w1[n] x x + x y[n] e[n] Thuật toán thích nghi + + d[n] Hình 10: Cấu trúc của mạch lọc FIR thích nghi Trong đó: x[n] : Vector tín hiệu đầu vào của mạch lọc x[n] = [xn xn-1 xn-2… xn-N+1]T w: Là vector trọng số của bộ lọc thích nghi. ..ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghi p BỘ LỌC FIR 2.1 BỘ LỌC FIR TRUYỀN THỐNG Bộ lọc FIR là bộ lọc có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn, tức là đáp ứng xung chỉ khác không trong một khoảng có chiều dài hữu hạn N (từ 0 đến N-1) Bộ lọc FIR với bậc của bộ lọc là N được biểu diễn như hình 3: Hình 3: Cấu trúc của bộ lọc FIR truyền thống Trong đó: x[n]: là tín hiệu lối vào của mạch... toán mới nhờ tính chất đơn giản và bền vững của thuật toán này Nó là thuật toán lọc thích nghi tuyến tính bao gồm hai quá trình: quá trình lọc và thích nghi Trong quá trình lọc, thuật toán này sử dụng mạch lọc ngang tuyến tính có lối vào x(n) và lối ra y(n) Quá trình thích nghi được thực hiện nhờ sự điều khiển tự động các táp trọng số của các hệ số của mạch lọc sao cho nó tương đồng với tín hiệu sai số... thì thuật toán này hội tụ đến nghi m của phương trình Wiener-Hopf Nói cách khác, thuật toán LMS là một sơ đồ thực tế để thực hiện các mạch lọc Wiener-Hopf, nhưng không giải một cách tường minh phương trình Wiener-Hopf Nó là một thuật toán tuần tự được sử dụng để thích nghi táp trọng số của mạch lọc nhờ sự quan sát liên tục tín hiệu lối vào x[n] và tín hiệu lối ra mong muốn d[n] Như vậy, thuật toán LMS. .. trình Wiener-Hopf, nghĩa là nghi m tối ưu ở (3.22) 20 Nguyễn Anh Cường ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghi p 3.4 CÁC THUẬT TOÁN THÍCH NGHI VÀ ỨNG DỤNG Trong phần này, chúng ta nghi n cứu chủ yếu thuật toán toàn phương trung bình tối thiểu LMS Thuật toán này được áp dụng rộng rãi trong xử lý số thích nghi và thống kê do tính chất bền vững và đơn giản của nó Nhờ thuật toán này mà dãy sai số hội... đồng với tín hiệu sai số là hiệu của tín hiệu lối ra với tín hiệu mong muốn d(n) Sơ đồ của thuật toán như trong hình x[n] z-1 x wo[n]] x[n-1] z-1 z-1 wN-1[n] w1[n] x x + x y[n] Thuật toán LMS e[n] + + d[n] Hình 12: Mạch lọc FIR thích nghi dùng thuật toán LMS Giả sử mạch lọc ngang có N- táp trọng số và là dãy số thực, khi đó tín hiệu lối ra được viết: N− 1 y[n] = ∑w k[n] x[n-k] (4.20) k= 0 Trong đó táp... 3.4.2 Thuật toán toàn phương trung bình tối thiểu (LMS) 24 Nguyễn Anh Cường ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghi p Thuật toán toàn phương trung bình tối thiểu LMS (Least – Mean –Square) là thuật toán được áp dụng rộng rãi trong xử lý số tín hiệu thích nghi Nó thuộc họ các thuật toán gradient thống kê lần đầu tiên được Windrow-Hoff áp dụng năm 1960 và sau đó phát triển thành nhiều thuật toán. .. nhiên, có sự thay đổi vị trí của các thanh ghi chốt, trước bộ nhân và bộ cộng ta chèn thêm một thanh ghi chốt vào để chia nhỏ đường truyền tín hiệu Do đó, làm cho tần số hoạt động của mạch tăng lên 14 Nguyễn Anh Cường ĐH Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội Khoá luận tốt nghi p Chương 3 BỘ LỌC FIR THÍCH NGHI DÙNG THUẬT TOÁN LMS 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thuật ngữ lọc dùng để chỉ tất cả các hệ thống có khả năng khôi phục lại... x[n] của bộ lọc chính là các giá trị sau khi qua biến đổi ADC, các hệ số h[n] là các hằng số đã được cho trước(được tính toán bằng Matlab) và y[n] là kết quả sau khi đã qua bộ lọc FIR Các kết quả này cũng được biểu diễn dưới dạng số bù hai và được đưa qua bộ biến đổi DAC để hiện lên trên dao động ký Trong bài luận văn này, em thiết kế bộ lọc FIR thông thấp, với bậc bộ lọc là 50, tần số mà bộ lọc bắt . Khoỏ lun tt nghip EF- B LC FIR THCH NGHI DNG THUT TON LMS -N* N hÊ(/Ô0hy (BV7 `D= [aRC68M)RH)9_SSL C1 QQ 8L5 68 1D= S568PWCAQ 8N/ UX7!"Y1}A2Y6 8LX79)9DGN DM2>M. 5} C  b V61)=5Dq D 9X C N EF, Nguy n Anh C ng *v [t n nh n] : process [(danh s ch c c yếu t k ch th ch ho t đ ng) ] [khai b o c c bi n] begin