FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)方法

1、FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)要領(lǐng)摘要:為了給現(xiàn)實應(yīng)用中選擇符合fir濾波器的fpga實現(xiàn)布局提供參考,起首從fir數(shù)字濾波器的根本原理動身,闡發(fā)了fir濾波器的布局特點,然后別離先容了基于fpga的fir濾波器的串行、并行、轉(zhuǎn)置型、fft型和漫衍式布局型的實現(xiàn)要領(lǐng),對付種種實現(xiàn)的布局做了闡發(fā)、比力以及優(yōu)化處置懲罰,特殊是對基于fft的fir濾波器與傳統(tǒng)卷積布局舉行了準確的數(shù)值盤算比力,末了得出滿意于低階或高階的種種fir濾波器實現(xiàn)布局的實用范疇及其優(yōu)缺點,并針對現(xiàn)實工程應(yīng)用提出了下一步需辦理的題目。關(guān)鍵詞:fir濾波器;fpga;fft;漫衍式算法中圖分類號:tn710-34文獻標識碼:a文章編

2、號:1004-373x(2022)22-0064-04realizatinethdsffirfilterbasednfpgaxuyuan-ze,daili-xin,gaxia-rng,angli,gujian-qiang(shlfphysialsieneandtehnlgy,suthestjiatnguniversity,hengdu610031,hina)abstrat:inrdertprvidereferenenseletingapprpriatestrutureffirfilterbasednfpga,thestrutureharateristisffirfilterareanalyze

3、dfrthebasiprinipleffirdigitalfilter.theserialstruture,parallelstruture,transpsestruture,fftstrutureanddistributedstruturefrealizingfirfilternfpgaareintrdued.variusrealizatinstruturesareanalyzed,paredandptiized,espeiallythefirfilterbasednfftisparedithtraditinalnvlutinstruturethrughthepreisenuerialalu

4、latin.theappliatinareas,eritsanddefetsfthekindsfstruturesffirfilterhiheetthel-rderrhigh-rderarebtained,andseprblehihshuldbereslvedisgivenfrpratialengineeringappliatin.keyrds:firfilter;fpga;fft;distributedalgrith收稿日期:2022-06-26在數(shù)字信號處置懲罰體系中,有限脈沖相應(yīng)(finiteipulserespnse,fir)數(shù)字濾波器是一個非常緊張的根本單位。比年來,由于fpga具有

5、高速率、高集成度和高可靠性的特點而得到快速生長。隨著當(dāng)代數(shù)字通訊體系對付高精度、高處置懲罰速率的需求,越來越多的研究轉(zhuǎn)向接納fpga來實現(xiàn)fir濾波器1-2。而對付fir濾波器要充實思量其資源與運行速率的公正優(yōu)化,種種差異的fir濾波布局各具優(yōu)缺點,在相識種種布局優(yōu)缺點后才氣更好地選擇符合布局來實現(xiàn)fir濾波。1fir數(shù)字濾波器fir數(shù)字濾波器由有限個采樣值構(gòu)成,方案中在滿意幅值特性時,還能包管準確、嚴酷的相位特性,因此在信號處置懲罰等范疇得到普及的應(yīng)用3。對付fir濾波器,其輸出y(n)表現(xiàn)為如下情勢:由于fir濾波器的打擊相應(yīng)為一個有限序列,其體系函數(shù)可表現(xiàn)為:fir濾波器的根本布局如圖1

6、所示。fir濾波器只在原點處存在頂點,以是這使得fir濾波用具有全局不變性。同時fir濾波器滿意線性相位條件,其打擊相應(yīng)序列為實數(shù)且滿意奇對稱或偶對稱條件,即:h(n)=h(n-n-1)(3)圖1fir濾波器的布局2實現(xiàn)要領(lǐng)運用fpga來實現(xiàn)fir數(shù)字濾波器的布局多種多樣,但是重要有以下幾類:串行布局、并行布局、轉(zhuǎn)置型布局、基于fft算法布局、漫衍式布局。其他范例的fir濾波器布局都可以由以上幾種布局衍生而來。2.1串行布局由表達式(1)可知,fir濾波器本色是做一個乘累加運算,其濾波器的階數(shù)決定了一次乘累加的次數(shù),其串行布局4如圖2所示。圖2fir濾波器的串行布局串行布局的fir濾波器布局簡

7、樸,硬件資源占用少,只必要復(fù)用1個乘法器和1個加法器,以是本錢較低。但是,這種布局的fir濾波器要顛末多個時鐘周期才有輸出,同時,內(nèi)部時鐘周期還受到乘法器運算速率的影響,以是該布局的fir濾波器處置懲罰速率慢,只實用于濾波階數(shù)較低且處置懲罰速率要求低的體系。2.2并行布局將串行布局的fir濾波器睜開就可以得到并行布局的fir濾波器,并行fir濾波器布局又稱作直接型fir濾波器布局,這種布局是直接按照圖1的濾波器布局,用多個乘法器和加法器并行實現(xiàn)。通常思量到其濾波器系數(shù)的對稱性,先對輸入值舉行加法運算,再舉行乘法運算,末了累加輸出,以此來淘汰乘法器的個數(shù)5,其布局如圖3所示。圖3系數(shù)對稱的fir

8、濾波器的并行布局2.3轉(zhuǎn)置型布局基于并行布局的轉(zhuǎn)置型fir濾波器實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行輸入,在1個周期內(nèi)就能完成1次濾波,而且各級布局雷同,在每個階段都可以讀出數(shù)據(jù),可以對濾波階數(shù)舉行擴展大概縮減,實現(xiàn)恣意階數(shù)的濾波器。但是由于基于的是并行布局,便有著并行布局的一些缺點,重要是對付高階的濾波器,其資源占用量是宏大的,方案本錢高。固然如許,轉(zhuǎn)置型fir濾波器還是應(yīng)用普及的一種濾波器。圖4并行布局fir濾波器轉(zhuǎn)置型2.4基于fft的布局應(yīng)用快速傅里葉變更(fastfuriertransfr,fft)實現(xiàn)fir濾波器是一種快速實現(xiàn)濾波算法的緊張途徑。圖5基于fft的fir濾波器布局為實現(xiàn)fft,按照兩有限

9、長序列的線性卷積可用其循環(huán)卷積取代而不產(chǎn)生混疊,必需選擇循環(huán)卷積長度nn1+n2-1,馬上x(n)和h(n)補零至長度為n的序列,即:x(n)=x(n),0nn1-10,n1nn-1h(n)=h(n),0nn2-10,n2nn-1(4)k=df=n1n22n(1+32lg2n)=n21(2n1-1)2+3lg2(2n1-1)(5)表1差異點時的運算量比擬2.5漫衍式布局漫衍式算法(distributedaritheti,da)于1973年就由risier提出8,但是直到fpga出現(xiàn),才普及的被應(yīng)用于fpga中盤算乘累積和。對付有標記數(shù)x(n)可以用下式的補碼情勢表現(xiàn):x(n)=-2bxb(n)

10、+b-1b=0 xb(n)2b(6)將式(6)代入式(1)得:y(n)=-2bn-1i=0 xb(n-i)h(i)+b-1b=02bn-1i=0h(i)xb(n-i)(7)基于漫衍式算法的fir濾波器重要有3種布局范例。(1)第一種布局為串行漫衍式布局。串行漫衍式fir濾波器的原理為,起首用全部n個輸入量的最低位對da查尋表舉行尋址查值,得到一個部門積,將部門積右移一位即相稱于除以2后放到存放器中暫存。同時,n個輸入量的次低位開始對da查尋表舉行尋址查值,得到另一個部門積,把該部門積與上一個儲存在存放器中的值舉行相加,相加后的值再右移一位放到存放器中。以此重復(fù)循環(huán)累加,直到全部位數(shù)都尋址完成,

11、留意最高位尋址后的部門積是相減,末了所得到的值就是所必要的效果。表2布局規(guī)矩0000h(0)0+h(1)0+h(n-2)0+h(n-1)0=00001h(0)1+h(1)0+h(n-2)0+h(n-1)0=h(0)1111h(0)+h(1)+h(n-2)+圖6串行漫衍式布局(2)第二種布局為并行漫衍式布局。并行漫衍式布局就是將n個輸入量的差異位舉行同時查表,而雷同位送入同一個r尋址,差異位有差異的r。其布局如圖7所示10。圖7并行漫衍式布局圖8串并結(jié)合的漫衍式布局fir濾波器的漫衍式算法布局比單獨用乘法器實現(xiàn)的速率快,特殊是濾波階數(shù)越高,其上風(fēng)越發(fā)顯著。漫衍式布局中,串行布局是1次查詢1位,以

12、是對b位的數(shù)據(jù)在不算上移位存放等的時間,完成1次濾波必要b個時鐘周期;而并行布局只必要1個時鐘周期便完成濾波,以是并行布局是速率最優(yōu)的布局,但是并行布局必要b個da查尋表,必要大量的r來儲存,加大了硬件資源的斲喪,特殊是階數(shù)越高,硬件范圍將非常膨大;串并布局綜合兩種布局上風(fēng),實如今速率和范圍上的和諧?，F(xiàn)實應(yīng)用中,需按照體系的要求來選擇符合的布局。3結(jié)語本文定性地闡發(fā)了種種fir濾波器的fpga實現(xiàn)要領(lǐng)。對付低階的fir濾波器可接納串行布局、并行布局以及轉(zhuǎn)置型布局來實現(xiàn),而并行布局和轉(zhuǎn)置型布局的fir濾波器以捐軀資源斲喪來實現(xiàn)了速率上上風(fēng);對付高階的fir濾波器,基于乘法器布局的串行布局、并行布局及轉(zhuǎn)置型布局在速率上難以到達高速處置懲罰的要求,而漫衍式算法將乘法轉(zhuǎn)換為查表和累加的布局,使得漫衍式布局的fir濾波器在速率上得到了進步,但三種差異情勢的漫衍式布局要在綜合思量資源以及速率的底子上舉行公正選擇;同樣接納fft實現(xiàn)的fir濾波器以淘汰運算量來得到了速率上的進步,特殊是濾波階數(shù)越高其速率提拔越顯著。當(dāng)代工程技能范疇對濾波體系的帶寬、高速、信號的及時性處置懲罰等方面要求越來越高,在運用fpga來實現(xiàn)fir濾波中,基于乘法器布局的fir濾波器無法滿意以上要求,而漫衍式布局的fi