基于多速率DA的根升余弦濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

3．1 串行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
對于串行分布式算法結(jié)構(gòu)濾波器，LUT輸出值與寄存器值左移1位(乘以21)后的數(shù)值相加，并將相加后的結(jié)果存入寄存器。首先計(jì)算高位(b=0)，再計(jì)算低位，所以寄存器的值要先左移1位再相加，從而減少資源消耗。當(dāng)b=0時(shí)，做減法運(yùn)算；當(dāng)b>0時(shí)，做加法運(yùn)算。經(jīng)過1次減法和B-1次加法，在B次查詢循環(huán)后完成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)框圖如圖7所示。

3．2 位并行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
另一個(gè)DA結(jié)構(gòu)的改進(jìn)即并行算法是以增加額外的LUT、寄存器和加法器為代價(jià)提高速度的。并行算法是速度最優(yōu)的高階分布式算法，實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示。

3．3 濾波器實(shí)現(xiàn)框圖
本設(shè)計(jì)的48階根升余弦濾波器的設(shè)計(jì)框圖如圖9所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，利用VHDL語言，輸入數(shù)據(jù)位寬限定為8 b，F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)是常數(shù)，存在ROM中，工作頻率為78．643 2 MHz。

4 結(jié)果分析
本文實(shí)現(xiàn)選用的FPGA是Altera的StratixⅡEP2S60F1040C4，在QuartusⅡ7．2平臺上進(jìn)行仿真。輸入數(shù)據(jù)位寬限定為8 b，整個(gè)處理過程沒有截位，因此該濾波器的頻率響應(yīng)與其他形式實(shí)現(xiàn)的濾波器頻率響應(yīng)是一樣的。區(qū)別集中在以下三點(diǎn)：
(1)節(jié)省資源開銷
通過仿真綜合后，得到根升余弦濾波器的三種實(shí)現(xiàn)方式的資源消耗情況。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，把1個(gè)DSPblock 9 b折合成82個(gè)ALUTs和82個(gè)寄存器計(jì)算，得到表2。

可見，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)占用資源量大，而基于并行DA算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)所占用的ALUTs只是前者的27．6％，寄存器只是它的35．7％，只是Memory bits大幅增加，不過相對來說，FPGA中Memory資源很豐富，可以不考慮。
本文所采用的并行DA算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與QuartusⅡ自帶的基于DA算法的FIR濾波器IP core相比各有優(yōu)勢，雖然Memory bits比較多，但是關(guān)鍵性指標(biāo)ALUTs和寄存器有大幅減少，約為IP core實(shí)現(xiàn)的60％左右。可見，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器在資源開銷方面有較明顯的優(yōu)勢。
(2)提高計(jì)算速度
DA算法的計(jì)算速度與系統(tǒng)階數(shù)無關(guān)，只與輸入位寬有關(guān)，處理時(shí)鐘／輸入位寬即是系統(tǒng)的工作速度，這種工作速度與階數(shù)無關(guān)的性質(zhì)非常適合大規(guī)模乘積和的計(jì)算，在階數(shù)很高的濾波器中運(yùn)算優(yōu)勢明顯。對于位寬較大的輸入，可以將其拆分，讓電路并行工作成倍地提高處理速度，但速度的提高是以電路規(guī)模的同倍數(shù)擴(kuò)大為代價(jià)的，在實(shí)際工作中需要仔細(xì)斟酌，尋找一個(gè)速度與資源的平衡點(diǎn)。
(3)提高系統(tǒng)工作頻率
對本設(shè)計(jì)而言，系統(tǒng)對速度的要求比較高，該FIR濾波器的工作頻率為64×1．228 8 MHz。對該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序分析顯示，clock時(shí)鐘的時(shí)序邏輯所需的最小時(shí)鐘周期為5．902 ns，信號的最大時(shí)鐘頻率為169．4 MHz。對基于并行DA算法的根升余弦成形濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序分析顯示，clock時(shí)鐘的時(shí)序邏輯所需的最小時(shí)鐘周期為3．823 ns，信號的最大時(shí)鐘頻率為261．57 MHz。同樣基于并行DA算法的IPcore FIR濾波器相應(yīng)的指標(biāo)為292．74 MHz，3．416 ns?？梢钥闯觯啾菼P core還有差距，但與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，有很大提高。

5 結(jié) 語
從結(jié)果分析中的幾點(diǎn)可以看出，一方面并行DA算法性價(jià)比高于傳統(tǒng)算法；另一方面由于對濾波器引入多相結(jié)構(gòu)，使得大部分電路工作在較低頻率下，減少了計(jì)算量，而且還降低了系統(tǒng)功耗，因此基于多速率處理技術(shù)和并行DA算法實(shí)現(xiàn)的根升余弦濾波器比以往的設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢，尤其是在減少邏輯資源開銷方面，非常適合邏輯資源受限的應(yīng)用設(shè)計(jì)中。