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DSP in FPGA:FIR滤波器(二)

这一节主要讲解一下转置型FIR滤波器实现。FIR滤波器的单位冲激响应h(n)可以表示为如下式:对应转置型结构的FIR滤波器,如图1所示,抽头系数与上一节中讲解直接型FIR滤波器的实例相同,滤波器阶数为

  这一节首要解说一下转置型FIR滤波器完结。

  FIR滤波器的单位冲激响应h(n)能够表明为如下式:

  

  对应转置型结构的FIR滤波器,如图1所示,抽头系数与上一节中解说直接型FIR滤波器的实例相同,滤波器阶数为10。

  

  图1

  能够发现转置型结构不对输入数据存放,而是对乘累加后的成果存放,这样要害途径上只要1个乘法和1个加法操作,比较于直接型结构,延时缩短了不少。

  归纳得到成果如下:

  Number of Slice Registers: 1

  Number of Slice LUTs: 18

  Number of DSP48E1s: 11

  Minimum period: 4.854ns{1} (Maximum frequency: 206.016MHz)

  要害途径延时陈述如图2所示,其间乘累加操作延时Tdspdck_A_PREG_MULT 2.655ns;别的还有一项net delay居然有1.231ns,如此大是因为fanout=11,细心研讨能够发现在h(n)表达式中x(n)与一切11个抽头系数进行了乘法操作,因而fanout达到了11,这也是转置型FIR滤波器的缺陷:输入数据的fanout过大。

  

  图2

  线性相位

  与直接型结构相同,由FIR滤波器的线性相位特征,转置型结构的FIR滤波器也可优化,如图3所示为线性相位FIR滤波器转置型结构,一共11个抽头系数,其间5对系数两两相同,因而能够省去5个乘法器,选用6个DSP资源完结转置型FIR滤波器。

  

  图3

  流水线完结:

  为了进一步缩短要害途径的延时,将乘法器和加法器逻辑分割开,中心参加流水线级,成果如图4所示,在线性相位结构的基础上,参加一级存放器,这样最大限度上优化时序。

  

  图4

  归纳得到成果如下:

  Number of Slice Registers: 355

  Number of Slice LUTs: 340

  Number of DSP48E1s: 6

  Minimum period: 3.861ns{1} (Maximum frequency: 259.000MHz)

  如图5所示为与图2中相对应途径的延时陈述(图2由ISE的Timing Analysis东西发生,图5是由PlanAhead的Timing Analysis东西发生),其间因为选用线性相位结构,输入信号的fanout只要6,延时从原先的1.231ns减小到1.01ns;而且分隔乘法器和加法器逻辑之后,要害途径上只要乘法器的延时:1.42ns。

  

  图5脉动型(Systolic)FIR滤波器规划#e#

  脉动型FIR滤波器是对直接型的晋级,在每个操作后都参加流水线级,每个动作都打一拍,就跟心脏跳动相同,因而称为脉动型,这种结构十分适用于高速数据流的处理。如图1所示为脉动型FIR滤波器结构。

  

  图1

  与直接型结构不同的是,输入数据到下一个处理单元都需求打2拍,这是为了使乘法后的累加数据同步,下面推导验证:

  x(n)为输入数据,yt(n)为直接型结构的输出

  yt(n)=x(n)h(0)+x(n-1)h(1)+x(n-2)h(2)…x(n-10)h(10)

  ys(n)为脉动型结构的输出,如图1中有P1、P2…P10共10个节点

  P1=x(n-4)h(0)

  P2=(P1 + x(n-5)h(1))*Z-1=x(n-5)h(0) + x(n-6)h(1)

  …

  P10=(P9 + x(n-23)h(10))*Z-1

  ys(n)=x(n-14)h(0) + x(n-15)h(1) + … + x(n-23)h(9)+ x(n-24)h(10)

  由ys(n)和yt(n)的表达式,能够推导出ys(n)=yt(n-14)

  因而脉动型FIR滤波器的推迟较大

  如图2所示为11抽头系数脉动型FIR滤波器FPGA完结结构(实例与前几节相同),穿了一层“衣服”,选用Xilinx FPGA中的DSP48E1 完结,根本处理单元中的操作都可在一个DSP48E1中完结,输入数据经过DSP48E1中存放2拍后经过ACOUT输出,直接衔接到下一个 DSP48E1中的ACIN端口,累加输出PCOUT直接衔接到下一个DSP48E1中的PCIN端口,这些衔接都没有经过FPGA的Fabric连线逻辑,而是经过DSP Block的内部走线衔接,这样完结能够缩短途径的延时。

  

  图2

  编写了相关代码,归纳成果如下:

  Number of Slice Registers: 4

  Number of Slice LUTs: 19

  Number of DSP48E1s: 11

  Minimum period: 3.006ns{1} (Maximum frequency: 332.668MHz)

  线性相位完结:

  与前几节相同,因为FIR滤波器的线性相位特性,相对应有线性相位的完结结构,如图3所示,运用DSP48E1中预加器完结乘法前的加法操作。关于脉动型 FIR滤波器的线性相位结构有许多留意点,其间预加器数据的配对,惯例情况下,此例中应是x(n)和x(n-10)、x(n-1)和x(n-9)、 x(n-2)和x(n-8)、x(n-3)和x(n-7)、x(n-4)和x(n-6),而图3中结构,参加了延时11的移位存放器,预加器配对的数据为 x(n-2)和n(n-12)、x(n-4)和x(n-12)、x(n-6)和x(n-12)、x(n-8)和x(n-12)、x(n-10)和x(n- 12),能够发现预加器配对数据中有一个数据始终是x(n-12),可是每一个配对数据的相对延时与惯例情况下相同:10、8、6、4和2。

  

  图3

  而各节点P1、P2、P3、P4、P5和y(n)的表达式如下

  P1=x(n-5)h(0) + x(n-15)h(0)

  P2=( P1 + (x(n-6)h(1) + x(n-14)h(1)) )Z-1=x(n-6)h(0) + x(n-16)h(0) + x(n-7)h(1) + x(n-15)h(1)

  P3=( P2 + (x(n-8)h(2) + x(n-14)h(2)) )Z-1=x(n-7)h(0) + x(n-17)h(0) + x(n-8)h(1) + x(n-16)h(1) + x(n-9)h(2) + x(n-15)h(2)

  P4=( P3 + (x(n-10)h(3) + x(n-14)h(3)) )Z-1=x(n-8)h(0) + x(n-18)h(0) + x(n-9)h(1) + x(n-17)h(1) + x(n-10)h(2) + x(n-16)h(2) + x(n-11)h(3) + x(n-15)h(3)

  P5=( P4 + (x(n-12)h(4) + x(n-14)h(4)) )Z-1=x(n-9)h(0) + x(n-19)h(0) + x(n-10)h(1) + x(n-18)h(1) + x(n-11)h(2) + x(n-17)h(2) + x(n-12)h(3) + x(n-16)h(3) + x(n-13)h(4) + x(n-15)h(4)

  y(n)=(P5 + x(n-14)h(5))Z-1= x(n-10)h(0) + x(n-20)h(0) + x(n-11)h(1) + x(n-19)h(1) + x(n-12)h(2) + x(n-18)h(2) + x(n-13)h(3) + x(n-17)h(3) + x(n-14)h(4) + x(n-16)h(4) + x(n-15)h(5)

  因抽头系数对称,由h(0)=h(10),h(1)=h(9),h(2)=h(8),h(3)=h(7),h(4)=h(6)可得

  y(n)= x(n-10)h(0) + x(n-11)h(1) + x(n-12)h(2) + x(n-13)h(3) + x(n-14)h(4) + x(n-15)h(5) + x(n-16)h(6) + x(n-17)h(7) + x(n-18)h(8) + x(n-19)h(9) + x(n-20)h(10)

  验证得到y(n)=yt(n-10),比一般脉动结构延时小,可是比较于其他结构的FIR滤波器延时仍是较大的。

  编写了相关代码,归纳成果如下:

  Number of Slice Registers: 84

  Number of Slice LUTs: 99

  Number of DSP48E1s: 6

  Minimum period: 3.256ns{1} (Maximum frequency: 307.125MHz)

  在DSP in FPGA: FIR滤波器规划(一)、(二)平分别解说了直接型、转置型和脉动型结构FIR滤波器的完结办法,这三种结构是FPGA完结中比较常用的办法,以下对这三种结构做一个比较:

  (1) 直接型:办法简略易完结,可是运用加法树优化后增加了功耗

  (2) 转置型:要害途径延时较小,时序易满意,可是输入数据扇出较大,不适用于阶数较高的滤波器完结

  (3) 脉动型:适用于高速数据处理,可是延时比较于其它结构较大

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