FAE講堂：利用賽靈思FGPA實(shí)現(xiàn)降采樣FIR濾波器

　　圖 3. 通過串聯(lián)三個(gè)FIR濾波級進(jìn)行的按 50 整數(shù)抽取，此處單獨(dú)放大顯示0~25MHz頻率。

　　用于三級濾波器的FIR-Compiler設(shè)置與圖1及圖2所示大同小異。第一個(gè)濾波器唯一不同的參數(shù)是COE文件名和“抽取率值”，其分別設(shè)為filt1_rad10.coe和M1=2。第二個(gè)濾波器COE文件名是filt2_rad10.coe，抽取率值為M2=5，輸入采樣頻率此時(shí)為125MHz，因?yàn)榈诙壈碝1=2抽取來自第一級的輸入數(shù)據(jù)。最后，第三個(gè)濾波器參數(shù)的唯一區(qū)別是COE文件名為filt3_rad10.coe，抽取率值為M3=5，輸入采樣頻率此時(shí)為25MHz，因?yàn)榈谌壈碝2=5抽取來自第二級的輸入數(shù)據(jù)。

　　在布局布線后，三個(gè)濾波級占用以下FPGA資源：

　　第一級(M1=2)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：280 個(gè)

　　Slice LUT數(shù)量：208 個(gè)

　　占用 Slice數(shù)量：62 個(gè)

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：3個(gè)

　　第二級(M2=5)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：236個(gè)

　　Slice LUT數(shù)量：168 個(gè)

　　占用 Slice數(shù)量：60 個(gè)

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：3 個(gè)

　　第三級(M3=5)：

　　Slice觸發(fā)器數(shù)量：357 個(gè)

　　Slice LUT數(shù)量：414 個(gè)

　　占用 Slice數(shù)量：158 個(gè)

　　DSP48 MAC單元數(shù)量：4 個(gè)

　　由于采用上述多級方法，我們現(xiàn)在比參考濾波器最初的22個(gè)DSP48 MAC單元少用了12個(gè)單元;與單級理想濾波器占用資源相比，我們節(jié)約了30%左右的觸發(fā)器，55%的LUT，44%的slice和54%的DSP48單元。

　　與CIC濾波器串聯(lián)

　　另一種按50抽取的可行方法是把級聯(lián)積分梳狀 (CIC) 濾波器 和CIC補(bǔ)償降采樣級串聯(lián)在一起，其變化速率分別為M1=10與M2=5。CIC濾波器是一類特殊的FIR濾波器，由N個(gè)梳狀濾波器和積分器組成(因此產(chǎn)生“第 N 級”術(shù)語)。盡管梳狀濾波器仍然可以實(shí)現(xiàn)成一種“傳統(tǒng)的”基于MAC的FIR濾波器，不過CIC架構(gòu)之所以有趣是因?yàn)樗恍枰魏蜯AC單元，因此可以用CLB sclice替代DSP48單元，參閱CoreGen CIC-Compiler 1.3數(shù)據(jù)手冊(cic_compiler_ds613.pdf)。

　　按M1=10抽取的第一級CIC濾波器頻率響應(yīng)較差，因此需要采用一個(gè)按M2=5抽取的補(bǔ)償FIR濾波器，以彌補(bǔ)第一級CIC濾波器本身通帶的下降。以下MATLAB代碼說明如何采用FDA工具設(shè)計(jì)此類濾波器。

　　圖4為賽靈思CoreGen CICCompiler 1.3 GUI設(shè)置的第一個(gè)頁面;其它參數(shù)采用默認(rèn)值，“使用Xtreme DSP Slice”可選參數(shù)除外(GUI 的第2頁(共3頁))，

　　圖 4. 按10抽取的CIC濾波器的設(shè)置。CIC-Compiler 1.3 GUI的第1頁(共 3 頁)。

　　其允許采用或不采用DSP48單元實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器。FIR Compiler GUI中的CIC補(bǔ)償FIR濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)與圖1及圖2所示相同;唯一不同的設(shè)置是 COE 文件名(此處是ciccomp_ dec5.coe)，抽取率值為M2=5，而輸入采樣頻率為25MHz。

　　在布局布線后，兩個(gè)濾波級占用以下FPGA資源：

　　第一級(按10抽取的CIC濾波器，不使用“采用Xtreme DSP Slice”)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：755 個(gè)

　　Slice LUT 數(shù)量：592 個(gè)

　　占用 Slice 數(shù)量：172 個(gè)

　　DSP48 MAX 單元數(shù)量：0 個(gè)

　　第一級(按10抽取的CIC 波器，使用“采用 Xtreme DSP Slice”)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：248 個(gè)

　　Slice LUT 數(shù)量：154 個(gè)

　　占用 Slice 數(shù)量：42 個(gè)

　　DSP48 MAC 單元數(shù)量：7 個(gè)

　　第二級(按5抽取的CIC補(bǔ)償FIR濾波器)

　　Slice 觸發(fā)器數(shù)量：271 個(gè)

　　Slice LUT 數(shù)量：312 個(gè)

　　占用 Slice 數(shù)量：114 個(gè)

　　DSP48 MAC 單元數(shù)量：3 個(gè)

　　兩種結(jié)果都很有趣，而是否選擇使用Xtreme DSP slice取決于設(shè)計(jì)人員最需要節(jié)約哪些資源。我個(gè)人選擇“采用Xtreme DSP Slice”選項(xiàng)。與單級濾波器相比，我們可以節(jié)約大約59%的觸發(fā)器，73%的LUT，69%的slice和54%的DSP48 MAC單元。代價(jià)是阻帶衰減更差，其現(xiàn)在是80dB，而非所需要的100dB，如圖5所示。某項(xiàng)設(shè)計(jì)是否接受該衰減值事實(shí)上與應(yīng)用相關(guān)。