FIR數(shù)字濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)研究
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2．4 3種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的比較
改進(jìn)串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、DA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的比較如下：
1)改進(jìn)串行結(jié)構(gòu) ①優(yōu)點(diǎn)：使用資源少，只需一些寄存器、乘累加器便可完成整個(gè)濾波運(yùn)算；②缺點(diǎn)：濾波速度慢，一次濾波所需的時(shí)鐘數(shù)由濾波器的階數(shù)決定。階數(shù)較高的濾波器，濾波周期很大，無法實(shí)現(xiàn)高速濾波。
2)并行結(jié)構(gòu) ①優(yōu)點(diǎn)：完成濾波的速度快，直接并行濾波器可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次濾波；②缺點(diǎn)：消耗大量的乘累加器，器件延遲較大，工作頻率不可能太高。
3)DA結(jié)構(gòu) 與串行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相比，DA實(shí)現(xiàn)濾波速度較快，其濾波周期由數(shù)據(jù)寬度決定而與濾波器的階數(shù)無關(guān)；而與并行實(shí)現(xiàn)相比，DA實(shí)現(xiàn)消耗的資源較少。且容易實(shí)現(xiàn)流水線處理，提高電路的執(zhí)行速度。
在設(shè)計(jì)中，當(dāng)資源成本為主要制約時(shí)，根據(jù)速度要求，選擇串行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)或DA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；而當(dāng)速度成為主要制約時(shí)，則根據(jù)資源成本因素，選擇并行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或DA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在一般的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，一般采用DA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
3 實(shí)例設(shè)計(jì)與仿真
3．1 FIR濾波器的設(shè)計(jì)
利用Matlab中的FDATool工具設(shè)計(jì)一個(gè)33階，F(xiàn)s=48kHz，F(xiàn)c=10．8 kHz的FIR濾波器，其幅值、相位響應(yīng)見圖3。為了便于FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)，減小誤差，將濾波器的系數(shù)量化取整后，在FPGA中實(shí)現(xiàn)采用的濾波系數(shù)為{-11，14，18，-11，-25，4，32，6，-38，-21，43，45，-47，-96，50，319，457，319，50，-96，-47，45，43，-21，-38，6，32，4，-25，-11，18，14，-11}。本文引用地址：http://2s4d.com/article/157476.htm
3．2 FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)與仿真
在Xilinx 10．1 ISE平臺中，選用Virtex-5系列的XC5VSXT50T器件，用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)的、以及DA結(jié)構(gòu)，并在ModelSim中對3種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)中輸入數(shù)據(jù)的位寬設(shè)為16位，而輸入數(shù)據(jù)在運(yùn)算處理前位寬擴(kuò)展到17位。所用仿真激勵為單位階躍響應(yīng)，時(shí)鐘周期為Tck=10 ns。ModelSim中的仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4中依次為改進(jìn)的串行實(shí)現(xiàn)，并行實(shí)現(xiàn)和DA實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果，其濾波周期分別為180 ns，10 ns和180 ns。上述設(shè)計(jì)的改進(jìn)串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)和DA結(jié)構(gòu)分別在XC5VSX50T中實(shí)現(xiàn)后，所消耗的FPGA內(nèi)部各種資源如表1所示。
從表l可以看出，并行實(shí)現(xiàn)消耗的資源最多，其次是DA實(shí)現(xiàn)，最小是串行實(shí)現(xiàn)。而從濾波速度上來看，并行濾波速度最快，1個(gè)時(shí)鐘周期便可濾波1次；而串行實(shí)現(xiàn)速度慢，其濾波周期取決于濾波器的階數(shù)，對17階的對稱濾波器而言，濾波一次占9個(gè)時(shí)鐘周期，濾波輸出占1個(gè)時(shí)鐘周期；相對串行實(shí)現(xiàn)和并行實(shí)現(xiàn)，DA實(shí)現(xiàn)的濾波周期取決于處理的數(shù)據(jù)寬度，上述設(shè)計(jì)中DA實(shí)現(xiàn)的濾波處理數(shù)據(jù)位寬是17位，所以濾波一次占17個(gè)時(shí)鐘周期，濾波輸出占用1個(gè)時(shí)鐘周期。
4 結(jié)束語
在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)濾波器設(shè)計(jì)對濾波速度要求不高時(shí)，可采用串行結(jié)構(gòu)或改進(jìn)串行結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以選取資源較少的器件，降低設(shè)計(jì)成本；當(dāng)對濾波速度有較高要求時(shí)，可以考慮采用并行或DA來實(shí)現(xiàn)。并行實(shí)現(xiàn)濾波周期為時(shí)鐘周期，速度快，但消耗的資源多，成本高；DA實(shí)現(xiàn)速度較快，消耗的資源較少，成本耗費(fèi)較低。在數(shù)字多普勒接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)接收機(jī)的性能要求以及所選用的FPGA器件資源，選取最優(yōu)的FlR濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。隨著FPGA查找技術(shù)的發(fā)展，具有較快的濾波速度和消耗較少資源的DA算法在FIR數(shù)字濾波領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
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