FAE講堂：利用賽靈思FGPA實現(xiàn)降采樣FIR濾波器

　　圖 3. 通過串聯(lián)三個FIR濾波級進行的按 50 整數(shù)抽取，此處單獨放大顯示0~25MHz頻率。

　　用于三級濾波器的FIR-Compiler設置與圖1及圖2所示大同小異。第一個濾波器唯一不同的參數(shù)是COE文件名和“抽取率值”，其分別設為filt1_rad10.coe和M1=2。第二個濾波器COE文件名是filt2_rad10.coe，抽取率值為M2=5，輸入采樣頻率此時為125MHz，因為第二級按M1=2抽取來自第一級的輸入數(shù)據(jù)。最后，第三個濾波器參數(shù)的唯一區(qū)別是COE文件名為filt3_rad10.coe，抽取率值為M3=5，輸入采樣頻率此時為25MHz，因為第三級按M2=5抽取來自第二級的輸入數(shù)據(jù)。

　　在布局布線后，三個濾波級占用以下FPGA資源：

　　第一級(M1=2)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：280 個

　　Slice LUT數(shù)量：208 個

　　占用 Slice數(shù)量：62 個

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：3個

　　第二級(M2=5)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：236個

　　Slice LUT數(shù)量：168 個

　　占用 Slice數(shù)量：60 個

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：3 個

　　第三級(M3=5)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：357 個

　　Slice LUT數(shù)量：414 個

　　占用 Slice數(shù)量：158 個

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：4 個

　　由于采用上述多級方法，我們現(xiàn)在比參考濾波器最初的22個DSP48 MAC單元少用了12個單元;與單級理想濾波器占用資源相比，我們節(jié)約了30%左右的觸發(fā)器，55%的LUT，44%的slice和54%的DSP48單元。

　　與CIC濾波器串聯(lián)

　　另一種按50抽取的可行方法是把級聯(lián)積分梳狀 (CIC) 濾波器 和CIC補償降采樣級串聯(lián)在一起，其變化速率分別為M1=10與M2=5。CIC濾波器是一類特殊的FIR濾波器，由N個梳狀濾波器和積分器組成(因此產生“第 N 級”術語)。盡管梳狀濾波器仍然可以實現(xiàn)成一種“傳統(tǒng)的”基于MAC的FIR濾波器，不過CIC架構之所以有趣是因為它不需要任何MAC單元，因此可以用CLB sclice替代DSP48單元，參閱CoreGen CIC-Compiler 1.3數(shù)據(jù)手冊(cic_compiler_ds613.pdf)。

　　按M1=10抽取的第一級CIC濾波器頻率響應較差，因此需要采用一個按M2=5抽取的補償FIR濾波器，以彌補第一級CIC濾波器本身通帶的下降。以下MATLAB代碼說明如何采用FDA工具設計此類濾波器。

　　圖4為賽靈思CoreGen CICCompiler 1.3 GUI設置的第一個頁面;其它參數(shù)采用默認值，“使用Xtreme DSP Slice”可選參數(shù)除外(GUI 的第2頁(共3頁))，

　　圖 4. 按10抽取的CIC濾波器的設置。CIC-Compiler 1.3 GUI的第1頁(共 3 頁)。

　　其允許采用或不采用DSP48單元實現(xiàn)梳狀濾波器。FIR Compiler GUI中的CIC補償FIR濾波器設計參數(shù)與圖1及圖2所示相同;唯一不同的設置是 COE 文件名(此處是ciccomp_ dec5.coe)，抽取率值為M2=5，而輸入采樣頻率為25MHz。

　　在布局布線后，兩個濾波級占用以下FPGA資源：

　　第一級(按10抽取的CIC濾波器，不使用“采用Xtreme DSP Slice”)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：755 個

　　Slice LUT 數(shù)量：592 個

　　占用 Slice 數(shù)量：172 個

　　DSP48 MAX 單元數(shù)量：0 個

　　第一級(按10抽取的CIC 波器，使用“采用 Xtreme DSP Slice”)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：248 個

　　Slice LUT 數(shù)量：154 個

　　占用 Slice 數(shù)量：42 個

　　DSP48 MAC 單元數(shù)量：7 個

　　第二級(按5抽取的CIC補償FIR濾波器)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：271 個

　　Slice LUT 數(shù)量：312 個

　　占用 Slice 數(shù)量：114 個

　　DSP48 MAC 單元數(shù)量：3 個

　　兩種結果都很有趣，而是否選擇使用Xtreme DSP slice取決于設計人員最需要節(jié)約哪些資源。我個人選擇“采用Xtreme DSP Slice”選項。與單級濾波器相比，我們可以節(jié)約大約59%的觸發(fā)器，73%的LUT，69%的slice和54%的DSP48 MAC單元。代價是阻帶衰減更差，其現(xiàn)在是80dB，而非所需要的100dB，如圖5所示。某項設計是否接受該衰減值事實上與應用相關。