FPGA实现的激光陀螺高速滤波器设计与浮点转换

该篇文章主要探讨了如何在FPGA(现场可编程门阵列)中实现激光陀螺信号的高速解调滤波设计。FPGA作为一种高度并行和灵活的硬件平台，被选用来执行复杂的数字信号处理任务，因为它提供了大量的逻辑单元、乘法器、ROM(只读存储器)和RAM(随机访问内存)等资源。 首先，文章强调了在FPGA中支持常见的IEEE单精度32位浮点表示，这是为了确保滤波器能进行精确的浮点运算，如加法和乘法。这些操作对于滤波过程至关重要，因为激光陀螺信号包含角速度信息，可能含有复杂的噪声成分，如机械抖动和伪随机噪声。通过模块化设计，滤波器能够高效地处理这些信号，确保滤波的高速性能。 设计过程中，滤波器的参数选择非常重要。考虑到激光陀螺信号的特点（机械抖动和噪声频率较高），设计了一款FIR(有限 impulse response)低通滤波器，截止频率设定为100Hz，采样频率为10kHz，以有效抑制不需要的高频信号。滤波器系数的设计和转换过程涉及到了MATLAB工具，包括将双精度浮点系数转换为单精度浮点格式，并将其存储在FPGA的ROM中，以便于后续的定点运算。 然而，滤波器系数的定点化策略虽然简化了设计，但也带来了精度损失。当滤波系数需要乘以大系数取整时，可能会引入显著误差。为了追求高精度，文章指出系数整形化倍数可能需要达到226以上，这会导致精度降低。相比之下，如果采用浮点运算，可以避免因整数转换导致的误差，但这也可能增加系统复杂性和资源消耗。 这篇文章详细介绍了如何在FPGA上构建一个高速且精确的激光陀螺信号滤波器，包括浮点运算的实现、滤波器参数的选择、系数的存储与转换，以及在追求精度与简化设计之间的权衡。这样的设计不仅提高了处理速度，还便于后续的DSP或计算机处理滤波后的数据，是现代陀螺仪信号处理技术中的一个重要环节。