基于流水線(xiàn)技術(shù)的并行高效FIR濾波器設(shè)計(jì)

2 FIR并行濾波器的乘法器設(shè)計(jì)

在并行濾波器的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)乘法器的一端輸入數(shù)據(jù)，另一端為固定常數(shù)。對(duì)于常數(shù)乘法器，可以預(yù)先將常數(shù)的部分乘積結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)起來(lái)，然后通過(guò)查表的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)的乘積。以16位輸入、常數(shù)為14位的乘法器為例，給出其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)于無(wú)符號(hào)數(shù)來(lái)說(shuō)，這是一種理想結(jié)構(gòu)。但是在實(shí)際使用中，通常使用有符號(hào)數(shù)且常用補(bǔ)碼的形式，因此需要對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。一種改進(jìn)方法是將輸入的數(shù)據(jù)分開(kāi)，即最高的幾位作為有符號(hào)數(shù)處理，其它作為無(wú)符號(hào)數(shù)處理。第二種改進(jìn)方法是將符號(hào)數(shù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)碼/原碼變換器變換成原碼，然后，將原碼作為無(wú)符號(hào)數(shù)處理，通過(guò)有符號(hào)數(shù)的符號(hào)位來(lái)控制加法器的加減。第三種改進(jìn)方法是一種優(yōu)化方法，即要用三個(gè)二進(jìn)制補(bǔ)碼變換器，處理輸入的有符號(hào)數(shù)和濾波器的系數(shù)，這樣可以避免使用有符號(hào)數(shù)的乘法和加法運(yùn)算。具體的乘法累加器運(yùn)算過(guò)程及結(jié)果如圖3所示。其中，對(duì)應(yīng)乘數(shù)高位和低位部分積p1(n)和p2(2)可以分別先垂直相加后水平相加，或者先水平相加后垂直相加，最后的結(jié)果是一樣的。若采用后種方法，由于FIR濾波器的h(n)均為常數(shù)，得到部分積的矢量乘法運(yùn)算就演變成了查表法，其中，S1(n)表示S(n)的最低有效,p1表示最低有效位部分積之和。

同理，得p2，將p2左移一位與p1相加，便得到最后結(jié)果。這種查表法就是采用流水線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行FIR濾波器算法分解的基礎(chǔ)，當(dāng)字長(zhǎng)增加時(shí)，相應(yīng)得到p3、p4等。并相應(yīng)移位相加即可。 在這種結(jié)構(gòu)中，時(shí)鐘是f1，內(nèi)部操作的時(shí)鐘是4×f1，其中的4個(gè)多路復(fù)用器每次可以從16路信號(hào)中選出4位用作ROM的地址線(xiàn)。每次4位地址從ROM中讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的移位相加即可，兩位計(jì)數(shù)器用來(lái)控制這些多路復(fù)位器的輸出。 比較圖6與圖7，不難看出，系數(shù)在量化前后的頻域特性是不同的，量化帶來(lái)了頻域特性的惡化。在驗(yàn)證了量化后的頻域特性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和系數(shù)的有效性之后，就可以進(jìn)行FPGA電路的設(shè)計(jì)。 本文介紹了并行高效數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，給出了電路的仿真結(jié)果。利用VHDL語(yǔ)言，采用可重復(fù)配置的FPGA，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的適用性。由于FIR濾波器的系數(shù)是常數(shù)，可以保存在ROM中，在運(yùn)算的通過(guò)查找表的方法可很快得到乘法輸出，減少了使用的資源和布線(xiàn)延時(shí)，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。在設(shè)計(jì)中，充分利用先進(jìn)的EDA團(tuán)體操，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

采用流水線(xiàn)技術(shù)和加法器的資源共享技術(shù)可以更好地提高常數(shù)乘法器的優(yōu)越性。16比特輸入、14比特常數(shù)的這種方法的常數(shù)乘法器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

按照第2節(jié)所描述的第三種優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)常數(shù)乘法器，乘法器輸出以后按照?qǐng)D4所示的濾波器結(jié)構(gòu)，通過(guò)流水線(xiàn)技術(shù)的加法器可以實(shí)現(xiàn)高效的濾波器。值得注意的是：在乘法器輸出的時(shí)候需要對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一位擴(kuò)展，可以避免加法器的溢出問(wèn)題。

為了有效地利用資源，先通過(guò)多路復(fù)用器將輸入的序列復(fù)選出來(lái)，這樣所有常數(shù)乘法器可以共用一個(gè)多路復(fù)用器，然后通過(guò)ROM查表方法實(shí)現(xiàn)常數(shù)乘法器。優(yōu)化后的原理結(jié)構(gòu)如5所示。