级联信号处理器的FPGA实现

2009-07-26 10:21:40来源: 四川邮电职业技术学院

  0 引 言

  在数字信号处理领域,滤波器无疑是个非常重要的环节。而在数字滤波器中,有限脉冲响应(FIR)滤波器因为其线性相位的特点,应用尤为广泛。实际应用中FIR滤波器分为常系数FIR滤波器和变系数FIR滤波器。常系数FIR滤波器的系数固定不变,可根据其特点采用分布式算法进行设计,故实现起来速度快,消耗的资源少。变系数FIR滤波器的系数是不断变化的。当前含有变系数FIR滤波环节的芯片普遍存在速度与处理级数的矛盾,有效解决此问题具有重要的现实意义。

  随着片上系统(SOC)时代的到来,可编程逻辑器件不仅为FIR滤波器的设计提供了一条可行而高效的方法,而且更被广泛地使用于数字信号处理的各个领域。采用INMOS公司的IMS A100级联型信号处理器为模板,以FIR滤波器设计为核心,用FPGA技术开发设计级联型信号处理器,能够应用于数字FIR滤波、高速自适应滤波、相关和卷积、离散傅里叶变换、脉冲压缩、线性预测编码语音处理、高速定点矩阵乘法等,有较好的应用前景和发展空间。

  1 FIR滤波器结构设计

  传统的FIR滤波器横向结构如图1(a)所示,为提高系统处理速度,求和单元∑可采用流水线结构。图中的N阶滤波器从系统开始工作到第一个输出数据有效,需经过N个周期,系统最大速度是由一次乘法和N个乘法结果求和运算消耗的时间决定,因而运算速度很低。采用流水线结构后,运算速度则由一次乘法运算决定,运算速度得到提高。为了系统结构的有效设计,根据FIR滤波器结构的可逆性,可采用图1(b)所示的转置结构。

  在横向滤波器的转置结构中,N个相同的处理单元级联就组成了滤波器,因此系统能在保证计算结果不溢出的前提下,只改变级联处理单元的数目就能方便地调整滤波器的级数。在t=KT时,滤波器的输出为:

  实际应用中常常会用到高阶FIR滤波器,但一块芯片的资源和容量毕竟有限,不能很好地满足设计要求。从图1(b)所示的结构可以看出,多片FIR滤波器可以级联起来,构成高阶FIR滤波器,无需任何附加逻辑,也不会降低运算速度,同时保持运算精度,故对比后优先选择图1(b)的滤波器转置结构。

  考虑到FIR滤波器系数的对称性,在横向滤波器的转置结构中再加入一条反向相加、延时支路,把单片FIR滤波器的级数由N扩展到2N,适合于阶数M为N

  为了让设计的信号处理器能用于自适应信号处理、快速傅里叶变换等领域,还必须使系统能根据用户的要求实时改变当前系数。一般有两种方案可以实现:一是通过一个写入端口直接修改当前系数;二是准备多组备用系数,并可以在与系统工作时钟异步的情况下对这些备用系数进行修改。方案一可以节省一定的系统资源,但对一组当前系数的修改需要较长时间,且此段时间内系统无法正常工作,故实时性较差;方案二虽然消耗了较多的系统资源,但系统能在准备系数(即修改备用系数)时正常工作,修改当前系数只需将当前系数和备用系数交换,交换系数的过程只需一个时钟节拍即可完成。综合考虑各方面因素,方案二具备更好的系统性能,故优先选择方案二。

  2 系统设计与FPGA实现

  图2的FIR滤波器结构是高速、高精度的数字式横向滤波器结构,在数字信号处理应用中可作为功能块,完成高速离散傅里叶变换、卷积和相关,以及滤波功能。级联型信号处理器的设计正是基于此结构,其FPGA实现的总体结构如图3所示。

  此级联型信号处理器的外部输入数据Din字长16位,系数字长16位,输入数据和系数均采用二进制补码方式。内部有A,B两组系数寄存器,一个存储当前系数,另一个存储修改系数,用户可通过数据线D在与系统时钟异步的情况下对系数进行修改,也可使A,B两组系数在系统工作的过程中相互“交换”。系统具有用户控制切换和系统自动切换两种系数切换方式。为了保持完整的数据精度,对于延时、乘法和相加链的中间结果是以满精度进行运算的,若N=2K,则系统的满精度为31+K位,考虑到单片使用时N级可扩展到2N级,所以应选用的满精度为32+K位,本系统采用32阶滤波器设计,故满精度为37位。在延时、乘法和相加链的输出端,设计一个可编程的桶形移位器(即数据选择单元),它可从四组24位数据字段[7~30],[11~34],[15~38]和[20~43]字段中任选一种,这四组字段从FIR滤波器输出的37位结果[0~36]中得到,所选的24位在输出前需进行舍入或符号扩展,至于如何选择,则根据实际应用而定。另外,本系统还为用户提供了系统复位(reset)、工作许可(go)、状态监测(error,out-ready)等常用握手信号。用户可以读写控制逻辑中的状态控制寄存器来切换当前系数,选择输出字段和设置系统工作模式(单片或级联,当系统课用于级联时,Cin为级联输入),其内部寄存器的详细描述见表1。

[1] [2]

关键字:级联信号处理器  FPGA

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0726/article_672.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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