基于流水線技術的并行高效FIR濾波器設計

1、基于流水線技術的并行高效fir濾波器設計數字可以濾除多余的噪聲，擴展信號頻帶，完成信號預調，轉變信號的特定頻譜重量，從而得到預期的結果。數字濾波器在、無線通信等數字信號處理中有著廣泛的應用。在數字信號處理中，傳統(tǒng)濾波器通過高速乘法累加器實現，這種辦法在下一個采樣周期到來期間，只能舉行有限操作，從而限制了帶寬?，F實中的信號都是以一定的序列進入處理器的，因此處理器在一個時光周期內只能處理有限的位數，不能徹低并行處理。基于并行流水線結構的濾波器可以使筆者設計的階或者階濾波器與階濾波器的速度一樣快，其顯著特點是在算法的每一個階段存取數據。結構使得以采樣速率處理數字信號成為常數乘法器的抱負載體，提高了囫

2、圇系統(tǒng)的性能。因為設計要求的差異，如字長、各級輸出的保留精度等不同，在囫圇設計過程中，各個環(huán)節(jié)也有所不同，這就需要按照不同的要求對數據舉行不同的處理，如截斷、擴展等，從而設計出既滿足設計需要，又節(jié)約資源的。 并行濾波器結構數字濾波器主要通過乘法器、加法器和移位寄存器實現。串行處理方式在階數較大時，處理速度較慢。而現代數字信號處理要求能夠迅速、實時處理數據，并行處理數據能夠提高信號處理能力，其結構所示。 從上面的算法可以看出，處理數據的采樣時鐘對每一個抽頭來說都是并行的，并且加法器和移位寄存器采納級聯方式，完成了累加器的功能，綜合了加法器和移位寄存器的優(yōu)點，而且這種算法的各級結構相同，便利擴展，

3、實現了隨意階數的濾波器。算法中，真正占用系統(tǒng)資源的是乘法器。假如將系數量化成二進制，就能采納移位寄存器和加法器實現乘法功能。對于一個特定的濾波器，因為它有固定的系數，乘法功能就是一個長數乘法器。下面將研究乘法器的設計問題。圖1 數字濾波器結構圖 并行濾波器的乘法器設計在并行濾波器的設計中，每一個乘法器的一端輸入數據，另一端為固定常數。對于常數乘法器，可以預先將常數的部分乘積結果存儲起來，然后通過查表的方式實現兩個數的乘積。以位輸入、常數為位的乘法器為例，給出其實現結構所示。圖2 并行濾波器結構圖對于無符號數來說，這是一種抱負結構。但是在實際用法中，通常用法有符號數且常用補碼的形式，因此需要對這

4、種結構舉行改進。一種改進辦法是將輸入的數據分開，即最高的幾位作為有符號數處理，其它作為無符號數處理。其次種改進辦法是將有符號數經過補碼原碼變換器變換成原碼，然后，將原碼作為無符號數處理，通過有符號數的符號位來控制加法器的加減。第三種改進辦法是一種優(yōu)化辦法，即采納三個二進制補碼變換器，處理輸入的有符號數和濾波器的系數，這樣可以避開用法有符號數的乘法和加法運算。詳細的乘法累加器運算過程及結果所示。其中，對應乘數高位和低位的部分積1（）和2（）可以分離先垂直相加后水平相加，或者先水平相加后垂直相加，最后的結果是一樣的。若采納后種辦法，因為濾波器的（）均為常數，得到部分積的矢量乘法運算就演化成了查表法

5、，其中，1（）表示（）的最低有效，1表示最低有效位部分積之和。圖3 詳細的乘法累加器運算過程及結果同理，得2，將2左移一位與1相加，便得到最后結果。這種查表法就是采納流水線技術舉行濾波器算法分解的基礎，當字長增強時，相應得到3、4等。并相應移位相加即可。采納流水線技術和加法器的資源分享技術可以更好地提高常數乘法器的優(yōu)越性。比特輸入、比特常數的這種辦法的常數乘法器的結構所示。圖4 常數乘法器的結構圖在這種結構中，時鐘是1，內部操作的時鐘是×1，其中的個多路復用器每次可以從路信號中選出位用作的地址線。每次位地址線從中讀出數據，經過相應的移位相加即可，兩位計數器用來控制這些多路復用器的輸出

6、。 濾波器的實現根據第節(jié)所描述的第三種優(yōu)化辦法實現常數乘法器，乘法器輸出以后根據圖所示的濾波器結構，通過流水線技術的加法器可以實現高效的濾波器。值得注重的是：在乘法器輸出的時候需要對輸出的數據舉行一位擴展，可以避開加法器的溢出問題。為了有效地利用資源，先通過多路復用器將輸入的序列復選出來，這樣全部常數乘法器可以共用一個多路復用器，然后通過查表辦法實現常數乘法器。優(yōu)化后的原理結構所示。圖5 優(yōu)化后原理結構圖 濾波器的電路設計與結果在數字濾波器設計時，首先按照濾波器的頻率特性，選定濾波器的長度和每一節(jié)的系數。就目前的設計手段而言，對節(jié)數和系數的計算可以采納等波動靠近算法編程計算。但是，目前最好的辦

7、法還是用法專業(yè)的軟件來完成。在挑選了設計辦法和設計要求后，計算出各節(jié)系數，并以圖形的直觀形式顯示幅頻、相頻、沖激響應和零極點圖。圖是一個采納等波動設計辦法生成的均方根升余弦（）濾波器的頻域特性。其中，滾降系數為，輸入數據率是。因為在數字濾波器中，各節(jié)系數字長有限，所以還要對計算出來的實系數舉行量化處理，即浮點數向定點數轉換。系數量化后的頻域特性所示，量化字長為。比較圖與圖，不難看出，系數在量化前后的頻域特性是不同的，量化帶來了頻域特性的惡化。在驗證了量化后的頻域特性滿足設計要求和系數的有效性之后，就可以舉行電路的設計。圖 采納等波動設計辦法生成的均方根升余弦濾波器的頻域特性圖7 系數量化后的頻域特性圖筆者采納流水線技術，按照得到的濾波器系數用語言編寫了濾波器程序。為了充分利用中四輸入查找表的電路結構，普通采納每節(jié)為濾波器的一個基本單元。設計中通過采納流水線技術提高速度，對于更多階數濾波器的設計，可以采納擴展的辦法來實現。仿真結果所示。圖仿真結果圖本文介紹了并行高效數字濾波器的設計辦法，給出了電路的仿真結果。利用語言，采納可重復配置的