一种基于FPGA的并行流水线FIR滤波器结构

欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 一 种 基 于 FPGA 的 并 行 流 水 线 FIR 滤 波 器 结 构 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 一 种 基 于 FPGA 的 并 行 流 水 线 FIR 滤 波 器 结 构 王 黎 明 刘 贵 忠 刘 龙 刘 洁 瑜 （ 西 安 交 通 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 西 安 市 710049） 摘 要 ： 本 文 提 出 一 种 在 FPGA 器 件 上 实 现 流 水 线 并 行 FIR 滤 波 器 结 构 。 首 先 比 较 了 FIR 滤 波 器 三 种 硬 件 实 现 所 用 的 资 源 ，然 后 在 理 论 上 推 出 本 文 流 水 线 并 行 结 构 滤 波 器 的 实 现 方 法 以 及 可 行 性 ， 接 着 给 出 了 硬 件 具 体 实 现 模 块 ， 最 后 给 出 了 实 验 结 果 。 实 验 结 果 可 以 看 出 ， 这 种 改 进 滤 波 器 实 现 结 构 的 算 法 可 以 灵 活 的 处 理 综 合 的 面 积 和 速 度 的 约 束 关 系 ，使 最 后 设 计 达 到 最 优 。 关 键 词 ： FIR 滤 波 器 ， VHDL， FPGA， 流 水 线 ， 并 行 结 构 An Efficient Locally Parallel Pineline FPGA FIR Filter Architecture WANG Liming LIU Guizhong LIU Long LIU Jieyu （ Electronic & Information Engineering Institute of Xi’an Jiaotong University， Xi’an ， 710049） Abstract： In this paper， a architecture of that implementing pineline parallel FIR filter in FPGA device is advanced. First， the resources that are used for three different hardware implement of FIR filter are compared. Second， implement method of pineline parallel architecture filter is gained from theoretics， and its feasibility is affirmed. Third， the particular hardware realization modules are analyzed. Finally， the experiment outcome is listed. From the experiment outcome， a conclusion is gained that the connection between synthesis area restriction and speed restriction can be flexibly optimized through this improved FIR filter Architecture arithmetic. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 ： FIR filter， VHDL， FPGA， Pipeline， Parallel Architecture 引 言 FIR 数 字 滤 波 器 广 泛 地 应 用 于 数 字 信 号 处 理 （ DSP） 系 统 ， 例 如 通 信 、 数 字 图 像 处 理 、 声 音 信 号 处 理 、 雷 达 声 纳 等 系 统 中 。 传 统 的 FIR 数 字 滤 波 器 一 般 采 用 通 用 的 DSP 处 理 器 或 者 数 字 信 号 处 理 超 大 规 模 集 成 电 路 。 这 样 使 设 计 不 够 灵 活 ， 很 多 情 况 下 浪 费 资 源 ， 并 且 速 度 不 够 高 。 现 场 可 编 程 逻 辑 阵 列 FPGA 器 件 的 出 现 ， 为 FIR 数 字 滤 波 器 的 设 计 提 供 了 一 种 新 的 途 径 。 FPGA 具 有 高 速 、 成 本 低 廉 、 设 计 周 期 短 及 应 用 灵 活 等 特 点 。 用 FPGA 实 现 的 数 字 滤 波 器 内 部 电 路 结 构 透 明 ， 实 时 性 好 ， 有 利 于 减 小 硬 件 电 路 的 体 积 ， 提 高 工 作 效 率 。 DSP 处 理 器 的 结 构 决 定 了 实 现 FIR 滤 波 器 主 要 是 串 行 流 水 线 的 运 算 。 虽 然 流 水 线 提 高 了 资 源 的 利 用 率 也 提 高 了 运 算 速 度 ， 但 是 比 较 FPGA 的 纯 并 行 运 算 结 构 在 运 算 速 度 上 有 很 大 的 逊 色 ， 可 是 这 种 FPGA 纯 并 行 运 算 结 构 导 致 最 后 综 合 的 面 积 较 大 。 本 文 正 是 通 过 在 时 序 上 控 制 滤 波 器 的 输 出 ， 提 出 一 种 在 模 块 内 采 用 并 行 运 算 ， 在 模 块 间 采 用 串 行 运 算 的 FIR 滤 波 器 的 算 法 结 构 。 这 种 结 构 可 以 同 时 兼 顾 FPGA 综 合 的 速 度 和 面 积 ， 从 而 实 现 FIR 数 字 滤 波 器 的 硬 件 优 化 设 计 。 1． FIR 滤 波 器 实 现 方 案 的 比 较 分 析 12 阶 FIR 滤 波 器 对 12 个 数 字 通 道（ 每 通 道 16 位 ）进 行 滤 波 ，这 样 FIR 的 系 数 h(0)～ h(11)是 可 以 配 置 的 ， 即 可 以 作 为 RAM 提 前 写 到 滤 波 器 元 件 中 。 如 果 是 寄 存 器 传 输 级 设 计 ， PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 有 三 种 设 计 方 案 ： 【 2】 方 案 1.例 化 12 个 FIR 滤 波 器 ， 即 有 12 个 图 1 所 示 的 模 块 并 联 ， 即 每 个 通 道 单 独 使 用 一 个 滤 波 器 ； 方 案 2.所 有 通 道 共 享 同 一 个 例 化 FIR 滤 波 器 ， 但 是 这 种 方 案 需 要 的 资 源 也 较 多 （ 图 1）； 方 案 3.共 享 FIR 滤 波 器 ， 同 时 共 享 乘 法 器 和 加 法 器 ； 从 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 可 以 看 出 方 案 1 实 现 起 来 较 简 单 ， 没 有 控 制 器 ， 但 是 需 要 的 资 源 较 多 ， 需 要 例 化 9 个 滤 波 器 ； 方 案 3 实 现 的 是 串 行 流 水 线 操 作 ， 实 现 资 源 共 享 ， 最 节 省 资 源 ， 但 是 又 是 最 复 杂 的 一 种 实 现 方 法 ， 同 时 执 行 速 率 最 低 ； 一 般 的 工 程 设 计 者 都 是 采 用 方 案 2。 一 般 在 FPGA 的 应 用 设 计 中 要 考 虑 的 两 个 最 重 要 的 因 素 是 系 统 的 最 高 速 率 S 和 综 合 所 需 要 的 逻 辑 单 元 数 L。 从 而 我 们 取 指 标 lg lg SSLR L= ， 可 见 对 于 同 样 要 求 的 FIR 滤 波 器 设 计 来 说 SLR 越 大 ， 则 说 明 此 FIR 滤 波 器 的 设 计 效 果 越 好 。 本 文 提 出 的 方 法 是 基 于 方 案 2 和 方 案 3 的 一 种 混 合 方 法 。 在 不 增 加 复 杂 度 的 情 况 下 ， 利 用 分 时 复 用 的 方 法 ， 在 设 计 的 时 灵 活 地 设 置 模 块 数 （ 即 流 水 线 的 阶 数 ）， 采 用 流 水 线 的 并 行 FIR 滤 波 器 的 设 计 。 从 而 在 综 合 面 积 和 速 度 上 同 时 达 到 优 化 ， 尽 量 增 大 SLR 值 。 2． 流 水 线 并 行 结 构 FIR 滤 波 器 FIR 滤 波 器 的 时 域 的 离 散 方 程 可 以 表 达 为 ： 1 0 ( ) ( ) ( ) L i y n x n i h i - = = -å （ 1） 希 望 在 上 式 （ 1） 中 可 以 分 成 几 个 模 块 ， 在 模 块 内 实 现 并 行 运 算 （ 即 模 块 内 实 现 并 行 乘 加 运 算 ）， 然 后 在 模 块 间 通 过 控 制 调 度 共 享 模 块 乘 加 运 算 ， 实 现 模 块 间 流 水 线 串 行 运 算 ， 整 个 系 统 结 构 共 享 一 个 并 行 模 块 。 因 此 （ 1） 式 可 以 转 换 为 （ 2） 式 假 定 流 水 线 为 P 级 ， 分 别 为 0,1,2,… P-1 级 ， 阶 数 L 为 流 水 线 级 数 P 的 整 数 倍 ， 那 么 FIR 滤 波 器 可 以 写 为 以 下 形 式 ： h(0) h(3) h(4) h(5) h(6) h(7) Clock Data_in Data_out h(1) h(2) h(8) h(9) h(10) h(11) 图 1 FIR 滤 波 器 的 常 用 结 构 表 1. 三 种 方 案 所 用 资 源 比 较 乘 法 器 数 量 加 法 器 数 量 控 制 器 数 量 方 案 1 144 132 0 方 案 2 12 11 1 方 案 3 1 11 1 PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( 2) ( 2) ...... [ ( 1)] [ ( 1)] L i L L L P P P i i i L P i y n x n i h i x n Pi h Pi x n Pi h Pi x n Pi h Pi x n Pi P h pi P - = - - - = = = - = = - = - + - - + + - - + + + - - - + - å å å å å （ 2） 从 上 式 可 以 看 出 ， 如 果 在 每 一 项 的 乘 法 求 和 运 算 都 是 在 一 个 时 钟 内 通 过 并 行 结 构 完 成 ， 那 就 是 模 块 内 实 现 并 行 运 算 ，然 后 每 一 个 模 块 间 通 过 控 制 调 度 共 享 并 行 结 构 模 块 实 现 串 行 流 水 线 操 作 。 下 面 针 对 式 （ 2） 分 析 以 下 三 种 情 况 ： l 当 1P = 时 即 结 构 中 没 有 采 用 流 水 线 ， 就 成 为 为 全 并 行 运 算 结 构 ， 那 么 （ 2） 式 就 退 化 为 （ 1） 式 。 l 当 P L= 时 ， 即 每 一 个 所 谓 的 并 行 模 块 只 执 行 一 个 运 算 ， 因 此 这 种 运 算 为 纯 串 行 流 水 线 运 算 结 构 ，（ 2） 式 变 为 （ 3） 式 ( ) ( ) (0) ( 1) (1) ( 2) (2) ...... [ ( 1)] ( 1)y n x n h x n h x n h x n L h L= + - + - + + - - - （ 3） l 当 1 P L< < ， 即 为 通 用 的 （ 2） 式 ， 即 在 模 块 内 实 现 并 行 运 算 ， 在 模 块 间 通 过 调 度 控 制 共 享 并 行 结 构 模 块 实 现 串 行 流 水 线 操 作 。 为 了 通 过 在 模 块 间 通 过 调 度 控 制 共 享 并 行 结 构 模 块 实 现 串 行 流 水 线 操 作 ，本 文 提 出 一 种 简 单 的 方 案 就 是 将 输 入 时 钟 分 频 ， 设 计 得 到 二 个 时 钟 域 ， 对 于 P 级 流 水 线 ， 系 统 的 两 个 时 钟 域 的 关 系 为 clock1＝ P× clock2。， 这 样 ， 不 同 的 模 块 用 不 同 的 时 钟 源 实 现 同 步 电 路 。 具 体 参 见 下 面 三 级 流 水 线 并 行 FIR 滤 波 器 的 实 现 过 程 。 例 如 对 于 12 阶 的 FIR 滤 波 器 ， 取 流 水 线 级 数 为 P＝ 3， 即 每 个 模 块 内 有 4 个 乘 加 并 行 运 算 单 元 ， 那 滤 波 器 的 表 达 式 为 ： 12 1 3 33 0 0 0 ( ) (3 ) (3 ) ( 3 1) (3 1) ( 3 2) (3 2) i i i y n x i h i x n i h i x n i h i - = = = = + - - + + - - +å å å （ 4） 3． 三 级 流 水 线 并 行 12 阶 FIR 滤 波 器 结 构 先 不 考 虑 线 性 相 位 滤 波 器 的 情 况 。 当 遇 到 设 计 的 FIR 滤 波 器 不 是 线 性 相 位 的 情 况 下 ， 仍 然 希 望 设 计 的 滤 波 器 的 速 度 和 综 合 面 积 达 到 较 优 ， 使 lg lg SSLR L= 尽 量 大 。 那 么 就 在 采 样 数 据 输 入 和 运 算 中 采 用 不 同 的 时 钟 域 ， 从 而 协 调 共 享 乘 法 器 、 加 法 器 以 及 系 数 存 储 器 ， 即 运 算 存 储 模 块 的 时 钟 是 输 入 采 样 数 据 时 钟 的 P 倍 ， 达 到 分 时 复 用 ， 协 调 共 享 并 行 模 块 的 目 的 。 如 图 3 所 示 ， 采 用 P=3， 即 3Clock （ 本 文 中 1Clock 为 1× Clock 倍 时 钟 ， 3Clock 为 3× Clock 倍 时 钟 ） 时 钟 驱 动 右 边 的 运 算 存 储 模 块 ， 即 在 1Clock 时 钟 内 进 行 3 次 的 RAM 的 系 数 访 问 和 两 次 乘 法 器 、 加 法 器 的 运 算 。 而 左 面 数 据 缓 冲 模 块 使 用 输 入 时 钟 1Clock，即 在 3 个 3Clock 时 钟 内 移 位 寄 存 器 才 变 化 一 次 ， 具 体 如 图 2 和 图 3。 PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 从 表 2 数 据 装 载 实 现 过 程 中 可 以 看 出 ， 在 3Clock 周 期 0 期 间 ， 仅 仅 有 从 RAM 中 取 出 数 据 h(2),h(5),h(8),h(11)有 效 ， 此 时 移 位 寄 存 器 的 输 出 仍 为 x(n),x(n-3),x(n-6),x(x-9)(移 位 寄 存 器 的 时 钟 为 1Clock， 因 此 输 出 值 相 对 于 3Clock 时 钟 要 保 持 一 个 周 期 )， 计 算 的 值 保 存 在 寄 存 器 内 ， 在 cycle1 周 期 从 RAM 中 取 出 系 数 h(0),h(3),h(6),h(9)， 此 时 移 位 寄 存 器 的 输 入 值 为 x(n+1),x(n-2),x(n-5),x(n-8)， 依 次 执 行 cycle2， cycle3,… … .,最 后 通 过 累 加 器 输 出 。 式 (5)为 滤 波 器 输 出 Y(n-6)， 式 （ 6） 为 Y(n-6)保 持 一 个 1Clock 周 期 之 后 输 出 的 下 一 个 滤 波 之 后 的 值 Y(n-5)， 因 此 在 每 个 1Clock 时 钟 周 期 有 滤 波 数 值 输 出 ， 下 面 依 次 为 Y(n-4),Y(n-3)… … . ( 6) 0 2 4 ( 2) (0) ( 1) (1) ( ) (2) ( 1) (3) ( 2) (4) ( 3) (5) ( 4) (6) ( 5) (7) ( 6) (8) ( 7) (9) ( 8) (10) ( 9) (11) Y n y y y x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h - = + + = + + + + + - + - + - + - + - + - + - + - + - （ 5） ( 5) 3 5 7 ( 3) (0) ( 2) (1) ( 1) (2) ( ) (3) ( 1) (4) ( 2) (5) ( 3) (6) ( 4) (7) ( 5) (8) ( 6) (9) ( 7) (10) ( 8) (11) Y n y y y x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h x n h - = + + = + + + + + + + - + - + - + - + - + - + - + - （ 6） 本 文 FIR 滤 波 器 与 传 统 的 FIR 滤 波 器 运 算 实 现 上 速 度 降 低 较 少 ， 同 时 可 以 从 理 论 上 分 析 ， 整 个 运 算 所 用 的 乘 法 器 和 加 法 器 的 数 量 减 少 了 ， 因 此 整 个 系 统 综 合 的 面 积 必 然 减 小 。 在 电 路 的 设 计 过 程 中 明 显 的 节 省 了 资 源 。在 性 能 分 析 中 一 个 重 要 的 指 标 是 定 义 为 每 秒 钟 乘 法 运 算 的 总 次 数 （ 由 于 加 法 一 般 与 乘 法 结 合 在 一 起 ， 因 此 运 算 成 本 中 不 包 含 加 法 ）。 在 本 设 计 采 3clock 周 期 周 期 输 出 结 果 最 后 输 出 0 y0= x(n)h(2)+x(n-3)h(5)+x(n-6)h(8)+x(n-9)h(11) NU 1 y1 = x(n+1)h(0)+x(n-2)h(3)+x(n-5)h(6)+x(n-8)h(9) NU 2 y2 = x(n+1)h(1)+x(n-2)h(4)+x(n-5)h(7)+x(n-8)h(10) NU 3 y3 = x(n+1)h(2)+x(n-2)h(5)+x(n-5)h(8)+x(n-8)h(11) NU 4 y4 = x(n+2)h(0)+x(n-1)h(3)+x(n-4)h(6)+x(n-7)h(9) Y(n-6)=y0+y2+y4 5 y5 = x(n+2)h(1)+x(n-1)h(4)+x(n-4)h(7)+x(n-7)h(10) NU 6 y6 = x(n+2)h(2)+x(n-1)h(5)+x(n-4)h(8)+x(n-7)h(11) NU 7 y7 = x(n+3)h(0)+x(n)h(3)+x(n-3)h(6)+x(n-6)h(9) Y(n-5)=y3+y5+y7 8 y8 = x(n+3)h(1)+x(n)h(4)+x(n-3)h(7)+x(n-6)h(10) NU 9 y9 = x(n+3)h(2)+x(n)h(5)+x(n-3)h(8)+x(n-6)h(11) NU 10 y10= x(n+4)h(0)+x(n+1)h(3)+x(n-2)h(6)+x(n-5)h(9) Y(n-4)=y6+y8+y10 表 2. 数 据 装 载 实 现 过 程 Cycle0 Cycle1 Cycle2 Cycle3 Cycle4 Cycle5 Cycle6 Cycle7 Cycle8 Cycle9 Cycle10 h(2)h(5) h(8)h(11) h(0)h(3) h(6)h(9) h(1)h(4) h(7)h(10) h(2)h(5) h(8)h(11) h(0)h(3) h(6)h(9) h(1)h(4) h(7)h(10) h(2)h(5) h(8)h(11) h(0)h(3) h(6)h(9) h(1)h(4) h(7)h(10) h(2)h(5) h(8)h(11) h(0)h(3) h(6)h(9) x(n+1),x(n-2),x(n-5) x(n-8) x(n+2),x(n-1),x(n-4), x(n-7) x(n+3),x(n),x(n-3), x(n-6) x(n),x(n-3),x(n-6), x(n-9) x(n+4),x(n+1),x(n-2), x(n-5) 3Clock 1Clock 图 2. 不 同 时 钟 周 期 系 数 的 装 载 PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 用 流 水 线 级 数 P=3， 对 于 12 阶 FIR 滤 波 器 ， 这 样 仅 仅 需 要 4 个 乘 法 器 ， 加 法 器 仅 仅 需 要 4 个 ， 显 然 比 方 案 2 资 源 利 用 率 更 高 。 本 文 采 用 的 方 案 实 现 并 行 运 算 ， 综 合 的 面 积 比 方 案 2 理 论 上 提 高 3 倍 。 但 是 综 合 的 速 度 上 相 差 很 小 ， 即 使 评 估 指 数 lg lg SSLR L= 增 大 。 实 验 的 验 证 结 果 也 证 明 了 这 种 结 论 （ 表 4）。 4.具 体 实 现 模 块 实 现 过 程 由 几 个 单 元 组 成 ， 主 要 有 时 钟 分 频 单 元 CLK_DIV ， 系 数 地 址 单 元 COEFF_ADDR， 系 数 存 储 单 元 RAM， 加 法 器 单 元 ADDER， 乘 法 器 单 元 MULT， 数 据 缓 冲 单 元 SHIFT_REG 及 累 加 器 ALTR_ACCUM 单 元 。【 3】 D Q D D D D D Q Q Q Q Q QD RAM RAM D D D D D D D Q Q Q Q Q Q Q 时 钟 分 频 3× clock 1× clock Data_in Data_outD Q RAM D Q D Q D Q D Q D Q D Q D Q D Q D QRAM 1× clock 图 3 系 统 实 现 框 图 【 8】 PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 下 面 是 每 一 模 块 实 现 的 功 能 ： （ 1） 系 数 地 址 单 元 COEFF_ADDR： 系 数 地 址 模 块 是 由 一 个 模 3 计 数 器 组 成 ， 由 时 钟 脉 冲 控 制 计 数 器 输 出 的 计 数 输 出 到 系 数 存 储 单 元 ，作 为 系 数 存 储 单 元 的 地 址 选 通 数 据 。 具 体 见 表 3， 使 用 时 钟 是 3clock。 （ 2） 系 数 存 储 单 元 RAM： 滤 波 器 系 数 存 储 在 3 个 存 储 器 RAM 模 块 中 。 因 为 系 数 会 出 现 正 负 ， 还 会 出 现 小 数 ， 因 此 以 16 位 二 进 制 数 补 码 定 点 的 形 式 存 放 计 算 的 FIR 数 字 滤 波 器 频 率 响 应 的 傅 立 叶 系 数 h(n)， 当 系 数 存 储 单 元 地 址 选 通 数 据 存 储 表 的 某 一 地 址 时 ， 与 该 地 址 相 对 应 的 h(n)数 据 并 行 输 出 到 乘 法 器 单 元 。 时 钟 也 是 用 的 输 入 3clock。 (3) 数 据 缓 冲 单 元 SHIFT_REG： 数 据 缓 冲 单 元 由 8 位 移 位 寄 存 器 SHIFT_REG 构 成 ， 采 样 数 据 DATA[15..0]并 行 输 入 到 移 位 寄 存 器 单 元 中 ， 每 隔 两 个 移 位 寄 存 器 一 个 输 出 ， 共 有 3 个 输 出 ， 在 时 钟 1Clock 脉 冲 驱 动 下 与 h(n)数 据 同 步 输 入 到 乘 法 单 元 中 。 (4) 加 法 器 单 元 ADDER： 将 两 个 数 据 相 加 ， 可 以 使 用 参 数 化 LPM 宏 单 元 。 (5) 乘 法 器 单 元 MULT： 主 要 实 现 FIR 滤 波 器 的 系 数 与 数 据 缓 冲 单 元 的 数 据 相 乘 。 在 实 现 过 程 中 使 用 LPM 模 块 。 （ 6） 时 钟 分 频 单 元 CLK_DIV： 时 钟 分 频 电 路 输 入 3Clock 的 时 钟 ， 分 别 作 为 系 数 地 址 单 元 、系 数 存 储 单 元 、乘 法 器 单 元 、加 法 器 单 元 和 累 加 器 单 元 的 时 钟 。而 分 频 后 的 1Clock 时 钟 作 为 数 据 缓 冲 单 元 和 最 后 累 加 器 的 时 钟 。 时 钟 分 频 在 硬 件 实 现 过 程 中 是 采 用 的 计 数 器 。 （ 7） 累 加 器 ALTR_ACCUM： 累 加 器 单 元 主 要 是 实 现 几 个 D 触 发 器 的 功 能 ， 在 前 一 个 时 钟 锁 存 数 据 ， 同 下 一 时 钟 的 数 据 同 时 累 加 ， 保 证 最 后 在 每 个 1Clock 时 钟 触 发 下 都 有 数 据 输 出 。 前 面 触 发 器 时 钟 源 为 3Clock， 最 后 时 钟 源 为 1Clock。 5． 实 验 结 果 与 展 望 本 文 的 方 法 只 需 使 用 4 个 乘 法 器 ， 4 个 加 法 器 ， 1 个 控 制 器 ， 显 然 乘 法 器 数 量 是 方 案 2 所 用 乘 法 器 数 量 的 三 分 之 一 。 大 量 的 节 省 了 资 源 。 表 4 为 实 验 结 果 比 较 所 用 的 资 源 ， 可 以 看 出 在 同 样 要 求 的 情 况 下 ， 本 文 资 源 共 享 的 滤 波 器 实 现 方 法 所 用 的 逻 辑 单 元 明 显 少 于 方 案 2 所 用 的 逻 辑 单 元 ， 但 是 系 统 的 最 高 频 率 却 与 方 案 2 相 近 ， 显 然 本 文 方 法 SLR 明 显 大 于 方 案 2。【 6】【 7】 可 以 看 出 ， 在 本 设 计 中 乘 法 运 算 没 有 采 用 查 表 而 直 接 采 用 采 用 乘 法 单 元 ， 这 样 可 以 充 分 系 数 地 址 单 元 系 数 存 储 单 元 时 钟 分 频 单 元 数 据 缓 冲 单 元 乘 法 器 单 元 加 法 器 单 元 累 加 器 3× Clock 1× Clock 数 据 输 入 Data_in 数 据 输 出 Data_out Address 图 4 系 统 实 现 模 块 框 图 表 3.不 同 的 计 数 器 装 载 的 滤 波 器 系 数 系 数 存 储 器 Couter--0 Couter--1 Couter--2 RAM1 h(2) h(0) h(1) RAM2 h(5) h(3) h(4) RAM3 h(8) h(6) h(7) RAM4 h(11) h(9) h(10) PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 利 用 Stratix 器 件 的 乘 法 器 单 元 ， 节 省 了 大 量 资 源 和 减 少 了 控 制 复 杂 度 。 本 文 实 现 的 仅 仅 是 采 用 级 数 为 3 的 综 合 结 果 。 级 数 只 要 满 足 倍 数 关 系 ， 便 可 以 按 照 实 际 要 求 （ 速 度 约 束 和 面 积 约 束 ） 进 行 设 置 。 通 过 实 验 验 证 一 般 FIR 滤 波 器 的 阶 数 越 多 ， 那 么 应 该 取 的 流 水 线 级 数 也 相 应 大 些 。 同 时 可 以 将 这 个 FIR 数 字 滤 波 器 系 统 作 为 一 个 完 整 的 模 块 。 通 过 级 联 可 以 方 便 的 实 现 高 阶 滤 波 器 ， 例 如 可 以 通 过 12 阶 FIR 滤 波 器 级 联 可 以 方 便 的 实 现 24 阶 FIR 滤 波 器 。 可 以 作 为 SOC 的 IP 核 。 参 考 文 献 【 1】 胡 广 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 编 著 ， “数 字 信 号 处 理 理 论 算 法 与 实 现 ”， 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2001。 【 2】 Stefan Sjoholm 著 ， 边 计 年 、 薛 宏 熙 译 ， “VHDL 设 计 电 子 线 路 ”， 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2001。 【 3】 陈 意 军 、 孙 胜 麟 著 ， “基 于 CPLD 的 现 代 数 字 系 统 设 计 ”， 现 代 通 信 技 术 ， 2001 年 第 11 期 。 【 4】 J.Living,B.M.Al-Hashimi， “High Performance Distributed Arithmetic FPGA for Video- Frequency Application”， Stafforshire University,1998 IEEE。 【 5】K.Chapman，“Building High Performance FIR Filters Using KCM’s”，Xilinx Ltd-UK，1998。 【 6】 V.Pasham， A.Miller， K.Chapman， “Transposed Form FIR Filters”， XAPP219， October 2001。 【 7】 Joseph B.Evans,”Efficient FIR filter Architectures Suitable for FPGA Implementation”, IEEE Trans. Circuita&Systems, July 1994。 【 8】 Altera Co.,“ Implementing High-Performance DSP Functions in Stratix & Stratix GX Device”， November 2002。 作 者 简 介 ： 王 黎 明 男 ， 1978 年 5 月 出 生 于 山 东 省 莱 阳 市 ， 汉 ， 现 为 西 安 交 通 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 图 像 处 理 、 DSP、 嵌 入 式 操 作 系 统 和 SOC 设 计 等 。 工 作 单 位 ： 西 安 交 通 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 通 信 地 址 ： 西 安 交 通 大 学 1427＃ ， 710049 Email： icesoar785160@163.com Phone： 029-3728364 刘 贵 忠 男 ， 博 士 生 导 师 ， 汉 ， 1962 年 9 月 出 生 于 陕 西 延 安 ， 1989 年 6 月 获 得 荷 兰 埃 因 侯 温 大 学 数 学 与 信 息 科 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 小 波 分 析 时 频 分 析 等 非 平 稳 信 号 分 析 方 法 及 自 适 应 处 理 方 法 ， 图 像 视 频 多 媒 体 及 传 输 控 制 ， 信 号 采 集 与 分 析 系 统 及 高 分 辨 地 震 勘 探 信 号 处 理 等 。 Email： liugz@mail.xjtu.edu.cn 刘 龙 男 ， 1977 年 出 生 于 陕 西 省 ， 汉 ， 2001 年 于 西 安 石 油 学 院 获 得 硕 士 学 位 ， 现 为 西 安 交 通 表 4.实 验 结 果 比 较 所 用 的 资 源 两 种 方 法 所 用 的 器 件 阶 数 位 宽 所 用 逻 辑 单 元 系 统 的 最 高 频 率 方 案 2 EP1S60 12 16 2640 2.34MHz 本 文 方 法 EP1S60 12 16 910 2.12MHz PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com 欧 赛 尔 电 子 工 作 室 http://www.osoar.com 电 子 资 讯 论 坛 http://www.osoar.com/bbs 本 文 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 及 国 家 教 育 部 高 等 学 校 博 士 点 基 金 （ 项 目 编 号 NO.60272072） 资 助 。 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 博 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 视 频 压 缩 编 码 ， 视 频 分 割 等 。 刘 洁 瑜 女 ， 西 安 交 通 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 博 士 研 究 生 ， 专 业 为 信 号 与 信 息 处 理 ， 主 要 研 究 方 向 视 频 压 缩 算 法 和 SOC 设 计 。 Email： lju@mailst.xjtu.edu.cn PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com