FPGA的FIR抽取濾波器設(shè)計(jì)

　　用FPGA實(shí)現(xiàn)抽取濾波器比較復(fù)雜，主要是因?yàn)樵?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在，FPGA中集成了硬件乘法器，使FPGA在數(shù)字信號(hào)處理方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文介紹了一種采用Xilinx公司的XC2V1000實(shí)現(xiàn)FIR抽取濾波器的設(shè)計(jì)方法。

　　具體實(shí)現(xiàn)

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于抽取濾波器的工作原理，本文采用XC2V1000實(shí)現(xiàn)了一個(gè)抽取率為2、具有線性相位的3階FIR抽取濾波器，利用原理圖和VHDL共同完成源文件設(shè) 計(jì)。圖1是抽取濾波器的頂層原理圖。其中，clock是工作時(shí)鐘，reset是復(fù)位信號(hào)，enable是輸入數(shù)據(jù)有效信號(hào)，data_in(17:0)是 輸入數(shù)據(jù)，data_out(17:0)是輸出數(shù)據(jù)，valid是輸出數(shù)據(jù)有效信號(hào)。adder18是加法器模塊，mult18是乘法器模塊，acc36 是累加器模塊，signal_36to18是數(shù)據(jù)截位器模塊，fir_controller是控制器模塊?？刂破鞫〞r(shí)向加法器、乘法器和累加器發(fā)送數(shù)據(jù)或 控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流水線操作。

　　圖1 抽取濾波器頂層原理圖

　　控制器

　　控制器是抽取濾波器的核心模塊，有兩個(gè)功能：一是接收輸入數(shù)據(jù)，二是向其它模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。它根據(jù)加法器、乘法器和累加器的時(shí)序特性，有規(guī)律地向加 法器發(fā)送抽頭數(shù)據(jù)，向乘法器發(fā)送系數(shù)，向累加器發(fā)送控制信號(hào)，讓加法器、乘法器和累加器在每個(gè)時(shí)鐘周期都完成指定的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)流水線操作?？刂破饔?VHDL語(yǔ)言描述，用寄存器存放抽頭和系數(shù)。

　　加法器

　　加法器的輸入和輸出都是18 bit，用VHDL語(yǔ)言描述實(shí)現(xiàn)。它有兩個(gè)工作時(shí)鐘的延遲，在輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的情況下，第一個(gè)時(shí)鐘得出相加結(jié)果，第二個(gè)時(shí)鐘把相加結(jié)果鎖存輸出。

　　乘法器

　　乘法器為18 bit輸入，36bit輸出，用庫(kù)元件MULT18X18S和36 bit鎖存器實(shí)現(xiàn)。MULT18X18S是XC2V1000自帶的18×18bit硬件乘法器，單個(gè)時(shí)鐘就可完成乘法運(yùn)算。36 bit鎖存器工作于時(shí)鐘的上升沿，用VHDL語(yǔ)言描述。乘法器(mult18)也有兩個(gè)工作時(shí)鐘的延時(shí)，在輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的情況下，第一個(gè)時(shí)鐘得出相乘結(jié) 果，第二個(gè)時(shí)鐘把相乘結(jié)果鎖存輸出。加法器和乘法器采用鎖存輸出的結(jié)構(gòu)，雖然增加了一個(gè)工作時(shí)鐘的延遲，但有利于抽取濾波器穩(wěn)定的工作，提高可靠性。

　　累加器

　　36 bit累加器用于累加乘法器的輸出，得出濾波結(jié)果。它有一個(gè)控制端口clr，當(dāng)clr為高電平時(shí)，輸出前一輪累加結(jié)果，并初始化，開(kāi)始新一輪累加;當(dāng)clr為低電平時(shí)，進(jìn)行累加運(yùn)算。累加器用VHDL語(yǔ)言描述。

　　數(shù)據(jù)截位器

　　數(shù)據(jù)截位器用VHDL語(yǔ)言描述，用于把累加器的36bit輸出進(jìn)行取舍處理，一般截掉數(shù)據(jù)低位部分，保留數(shù)據(jù)高位。為了對(duì)抽取濾波器進(jìn)行功能仿真，這里截掉數(shù)據(jù)高18bit，保留數(shù)據(jù)低18bit。

　　工作過(guò)程及功能仿真

　　下面以抽取濾波器完成一次抽取濾波的全過(guò)程為例，說(shuō)明抽取濾波器的工作過(guò)程。

　　假設(shè)時(shí)鐘1、時(shí)鐘2、時(shí)鐘3和時(shí)鐘4控制器已接收了數(shù)據(jù)x(n-3)、x(n-2)、x(n-1)和x(n)，那么：

　　時(shí)鐘5：控制器向加法器發(fā)送數(shù)據(jù)x(n)和x(n-3);

　　時(shí)鐘6：加法器進(jìn)行x(n)+x(n-3)運(yùn)算;控制器向加法器發(fā)送數(shù)據(jù)x(n-1)和x(n-2);

　　時(shí)鐘7：加法器進(jìn)行x(n-1)+x(n-2)運(yùn)算，輸出x(n)+x(n-3)運(yùn)算結(jié)果?？刂破飨虺朔ㄆ靼l(fā)送系數(shù)h(0);

　　時(shí)鐘8：加法器輸出x(n-1)+x(n-2)運(yùn)算結(jié)果，乘法器進(jìn)行h(0)[ x(n)+x(n-3)]運(yùn)算，控制器向乘法器發(fā)送系數(shù)h(1);

　　時(shí)鐘9：乘法器進(jìn)行h(1)[ x(n-1)+x(n-2)]運(yùn)算，輸出h(0)[ x(n)+x(n-3)]運(yùn)算結(jié)果?？刂破飨蚶奂悠靼l(fā)送控制信號(hào)(clr為高電平);

　　時(shí)鐘10：乘法器輸出h(1)[ x(n-1)+x(n-2)]運(yùn)算結(jié)果。累加器初始化，開(kāi)始累加操作?？刂破飨蚶奂悠靼l(fā)送控制信號(hào)(clr為低電平);

　　時(shí)鐘11：累加器進(jìn)行累加運(yùn)算：h(0)[ x(n)+x(n-3)]+ h(1)[x(n-1)+x(n-2)]?？刂破飨蚶奂悠靼l(fā)送控制信號(hào)(clr為高電平)，控制器輸出濾波數(shù)據(jù)有效信號(hào)(valid為高電平);

　　時(shí)鐘12：累加器輸出h(0)[ x(n)+x(n-3)]+ h(1)[x(n-1)+x(n-2)] 累加結(jié)果，并初始化，開(kāi)始新一輪累加操作?？刂破鬏敵鰹V波數(shù)據(jù)無(wú)效信號(hào)(valid為低電平)。