基于FDATool的FIR濾波器設(shè)計(jì)方法（一）

　　FIR濾波器根據(jù)輸入數(shù)據(jù)速率的不同可分為串行結(jié)構(gòu)、半并行結(jié)構(gòu)和全并行結(jié)構(gòu)。串行結(jié)構(gòu)的FIR濾波器是將并行數(shù)據(jù)串行輸入，所需的DSP資源較少，但是數(shù)據(jù)吞吐率較低;而全并行結(jié)構(gòu)的FIR濾波器數(shù)據(jù)是并行輸入，濾波系數(shù)的個(gè)數(shù)就決定了所需DSP資源的個(gè)數(shù)，資源耗用較多，但是吞吐率可以做到很大。在大多數(shù)應(yīng)用中，如無線數(shù)字中頻處理，所需數(shù)據(jù)吞吐率一般都較高，因此采用的是全并行結(jié)構(gòu)的FIR濾波器。

　　全并行FIR濾波器根據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不同可分為：直接型(Transverse)、轉(zhuǎn)置型(Transpose)和脈動型(Systolic)，這一節(jié)主要講解直接型FIR濾波器設(shè)計(jì)。

　　(一)直接型

　　直接型FIR濾波器在上一節(jié)中也有介紹，如圖1所示，數(shù)據(jù)x(n)移入并寄存，如果有11個(gè)抽頭，因此直接型FIR濾波器需要11個(gè)乘加模塊。

　　圖1

　　FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，直接采用上圖中結(jié)構(gòu)，不對中間數(shù)據(jù)寄存，則關(guān)鍵路徑是x(n)h(0)+x(n-1)h(1)…x(n-N+1)h(N-1)，以階數(shù)10的FIR濾波器為例，如下為抽頭系數(shù)：

　　coe_0 = -1241

　　coe_1 = -650

　　coe_2 = 1300

　　coe_3 = 4739

　　coe_4 = 8126

　　coe_5 = 9544

　　coe_6 = 8126

　　coe_7 = 4739

　　coe_8 = 1300

　　coe_9 = -650

　　coe_10 = -1241

　　數(shù)據(jù)輸入時(shí)打了一拍，輸出時(shí)打了一拍。綜合后結(jié)果如下：

　　Number of Slice Registers： 2

　　Number of Slice LUTs： 19

　　Number of DSP48E1s： 11

　　關(guān)鍵路徑中數(shù)據(jù)路徑延時(shí)報(bào)告如圖2所示，數(shù)據(jù)路徑延時(shí)包括乘法器延時(shí)Tdspcko PCOUT AREG MULT (3.001ns)+ 10個(gè)級聯(lián)加法器延時(shí)Tdspdo PCIN PCOUT(1.219)，數(shù)據(jù)路徑延時(shí)總共15.017ns，因此fmax最大不過66.273MHz?？梢园l(fā)現(xiàn)綜合器自動將乘法器和加法器在 DSP48E1中實(shí)現(xiàn)。

　　圖2

　　加法樹實(shí)現(xiàn)：

　　直接型FIR濾波器的一般實(shí)現(xiàn)方法關(guān)鍵路徑中有較多級的加法器，所有加法器延時(shí)累加后導(dǎo)致關(guān)鍵路徑延時(shí)較大，對整個(gè)FIR濾波器的性能造成了很大影響。為了解決加法器延時(shí)累加的問題，可采用加法樹結(jié)構(gòu)，如圖3所示為采用了加法數(shù)的直接型FIR濾波器結(jié)構(gòu)，這種層次化的樹型結(jié)構(gòu)，使加法器邏輯由級聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成并行結(jié)構(gòu)，這樣整個(gè)路徑的延時(shí)減小。

　　圖3

　　流水線實(shí)現(xiàn)：

　　雖然直接型FIR濾波器采用加法樹結(jié)構(gòu)后優(yōu)化了關(guān)鍵路徑，但是時(shí)序還是不夠理想，因?yàn)殛P(guān)鍵路徑上至少有一個(gè)乘法器和一個(gè)加法器的延時(shí)，如果想竟可能的優(yōu)化時(shí)序，可以分隔乘法器和加法器邏輯，中間加一級寄存器，即采用流水線實(shí)現(xiàn)。

　　那如何有效地分割邏輯呢?可以在圖3中加法樹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分割，在原先的關(guān)鍵路徑上，乘法器延時(shí)3.001ns，加法器延時(shí)1.219ns，因此可以將邏輯分割成如下**：

　　第1級：乘法器

　　第2級：2級加法器

　　第3級：3個(gè)數(shù)累加即2級加法器

　　如圖4所示為流水線實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器，邏輯分割后的關(guān)鍵路徑是乘法器那一級，理論分析得到的延時(shí)只有3.001ns，如果時(shí)鐘約束到250MHz可滿足時(shí)序要求。

　　圖4

　　實(shí)際得到綜合結(jié)果如下：

　　Number of Slice Registers： 105

　　Number of Slice LUTs： 124

　　Number of DSP48E1s： 11

　　Minimum period： 3.037ns{1} (Maximum frequency： 329.272MHz)

　　fmax能達(dá)到329.272MHz，延時(shí)基本與預(yù)期的差不多，F(xiàn)IR濾波器能達(dá)到這樣的性能基本能滿足大多數(shù)應(yīng)用了。

　　線性相位FIR濾波器：

　　FIR濾波器有一特征：線性相位，直接表現(xiàn)在抽頭系數(shù)上，抽頭系數(shù)為偶對稱或者奇對稱，在這節(jié)實(shí)例中，系數(shù)是偶對稱的，即 h(0)=h(10)，h(1)=h(9)，h(2)=h(8)，h(3)=h(7)，h(4)=h(6)，直接型FIR結(jié)構(gòu)優(yōu)化后如圖5所示，輸入數(shù)據(jù)在與系數(shù)相乘之前，因系數(shù)對稱，可以先將相同系數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)加操作，然后再與系數(shù)相乘，如此做法的好處是是乘法器資源減少了近一半，此例中DSP資源由原先需要11個(gè)到現(xiàn)在只需6個(gè)。而且，在Xilinx FPGA中的DSP48E1資源專門為線性相位FIR濾波器應(yīng)用提供了預(yù)加pre-adder結(jié)構(gòu)，即預(yù)加和乘法都可以在1個(gè)DSP48E1中完成，這樣大大縮短了數(shù)據(jù)路徑的延時(shí)，有利于時(shí)序收斂。

　　圖5

　　實(shí)際得到綜合結(jié)果如下：

　　Number of Slice Registers： 184

　　Number of Slice LUTs： 173

　　Number of DSP48E1s： 6

　　Minimum period： 2.854ns{1} (Maximum frequency： 350.385MHz)

　　fmax能達(dá)到350.385MHz，由于采用了加法樹結(jié)構(gòu)，避免了加法器級聯(lián)延時(shí)，并且分了3級流水線實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵路徑數(shù)據(jù)延時(shí)報(bào)告如圖6所示，路徑是從 DSP48E1輸出端到dout_d，但是光從代碼中看DSP48E1端到dout_d中間應(yīng)該還有一級加法器的寄存，原來這個(gè)加法器采用了 DSP48E1中的累加器實(shí)現(xiàn)了。

　　圖6