FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)方法

1、FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)摘要:為了給現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中選擇符合fir濾波器的fpga實(shí)現(xiàn)布局提供參考,起首從fir數(shù)字濾波器的根本原理動(dòng)身,闡發(fā)了fir濾波器的布局特點(diǎn),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(shí)現(xiàn)要領(lǐng),對(duì)付種種實(shí)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(duì)基于fft的fir濾波器與傳統(tǒng)卷積布局舉行了準(zhǔn)確的數(shù)值盤(pán)算比力,末了得出滿(mǎn)意于低階或高階的種種fir濾波器實(shí)現(xiàn)布局的實(shí)用范疇及其優(yōu)缺點(diǎn),并針對(duì)現(xiàn)實(shí)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(lèi)號(hào):tn710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編

2、號(hào):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(hào)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(gè)非常緊張的根本單位。比年來(lái),由于fpga具有

5、高速率、高集成度和高可靠性的特點(diǎn)而得到快速生長(zhǎng)。隨著當(dāng)代數(shù)字通訊體系對(duì)付高精度、高處置懲罰速率的需求,越來(lái)越多的研究轉(zhuǎn)向接納fpga來(lái)實(shí)現(xiàn)fir濾波器1-2。而對(duì)付fir濾波器要充實(shí)思量其資源與運(yùn)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(diǎn),在相識(shí)種種布局優(yōu)缺點(diǎn)后才氣更好地選擇符合布局來(lái)實(shí)現(xiàn)fir濾波。1fir數(shù)字濾波器fir數(shù)字濾波器由有限個(gè)采樣值構(gòu)成,方案中在滿(mǎn)意幅值特性時(shí),還能包管準(zhǔn)確、嚴(yán)酷的相位特性,因此在信號(hào)處置懲罰等范疇得到普及的應(yīng)用3。對(duì)付fir濾波器,其輸出y(n)表現(xiàn)為如下情勢(shì):由于fir濾波器的打擊相應(yīng)為一個(gè)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(diǎn)處存在頂點(diǎn),以是這使得fir濾波用具有全局不變性。同時(shí)fir濾波器滿(mǎn)意線(xiàn)性相位條件,其打擊相應(yīng)序列為實(shí)數(shù)且滿(mǎn)意奇對(duì)稱(chēng)或偶對(duì)稱(chēng)條件,即:h(n)=h(n-n-1)(3)圖1fir濾波器的布局2實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)運(yùn)用fpga來(lái)實(shí)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(lèi):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(lái)。2.1串行布局由表達(dá)式(1)可知,fir濾波器本色是做一個(gè)乘累加運(yùn)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(jiǎn)

7、樸,硬件資源占用少,只必要復(fù)用1個(gè)乘法器和1個(gè)加法器,以是本錢(qián)較低。但是,這種布局的fir濾波器要顛末多個(gè)時(shí)鐘周期才有輸出,同時(shí),內(nèi)部時(shí)鐘周期還受到乘法器運(yùn)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(shí)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(kāi)就可以得到并行布局的fir濾波器,并行fir濾波器布局又稱(chēng)作直接型fir濾波器布局,這種布局是直接按照?qǐng)D1的濾波器布局,用多個(gè)乘法器和加法器并行實(shí)現(xiàn)。通常思量到其濾波器系數(shù)的對(duì)稱(chēng)性,先對(duì)輸入值舉行加法運(yùn)算,再舉行乘法運(yùn)算,末了累加輸出,以此來(lái)淘汰乘法器的個(gè)數(shù)5,其布局如圖3所示。圖3系數(shù)對(duì)稱(chēng)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行輸入,在1個(gè)周期內(nèi)就能完成1次濾波,而且各級(jí)布局雷同,在每個(gè)階段都可以讀出數(shù)據(jù),可以對(duì)濾波階數(shù)舉行擴(kuò)展大概縮減,實(shí)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(diǎn),重要是對(duì)付高階的濾波器,其資源占用量是宏大的,方案本錢(qián)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(shí)現(xiàn)fir濾波器是一種快速實(shí)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(shí)現(xiàn)fft,按照兩有限

9、長(zhǎng)序列的線(xiàn)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(zhǎng)度nn1+n2-1,馬上x(chóng)(n)和h(n)補(bǔ)零至長(zhǎng)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(diǎn)時(shí)的運(yùn)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(pán)算乘累積和。對(duì)付有標(biāo)記數(shù)x(n)可以用下式的補(bǔ)碼情勢(shì)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(gè)輸入量的最低位對(duì)da查尋表舉行尋址查值,得到一個(gè)部門(mén)積,將部門(mén)積右移一位即相稱(chēng)于除以2后放到存放器中暫存。同時(shí),n個(gè)輸入量的次低位開(kāi)始對(duì)da查尋表舉行尋址查值,得到另一個(gè)部門(mén)積,把該部門(mén)積與上一個(gè)儲(chǔ)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(mén)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(gè)輸入量的差異位舉行同時(shí)查表,而雷同位送入同一個(gè)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(dú)用乘法器實(shí)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(xún)1位,以

12、是對(duì)b位的數(shù)據(jù)在不算上移位存放等的時(shí)間,完成1次濾波必要b個(gè)時(shí)鐘周期;而并行布局只必要1個(gè)時(shí)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(gè)da查尋表,必要大量的r來(lái)儲(chǔ)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(shí)如今速率和范圍上的和諧?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,需按照體系的要求來(lái)選擇符合的布局。3結(jié)語(yǔ)本文定性地闡發(fā)了種種fir濾波器的fpga實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)。對(duì)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(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)了速率上上風(fēng);對(duì)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(dá)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(jìn)步,但三種差異情勢(shì)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(shí)現(xiàn)的fir濾波器以淘汰運(yùn)算量來(lái)得到了速率上的進(jìn)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(duì)濾波體系的帶寬、高速、信號(hào)的及時(shí)性處置懲罰等方面要求越來(lái)越高,在運(yùn)用fpga來(lái)實(shí)現(xiàn)fir濾波中,基于乘法器布局的fir濾波器無(wú)法滿(mǎn)意以上要求,而漫衍式布局的fi