基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器的研究.pdf

1、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理中起到很關(guān)鍵的作用，它主要由串行、并行、并行流水線及并行流水線DA算法結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。串行結(jié)構(gòu)是由一個(gè)乘法單元和一個(gè)加法單元來完成數(shù)據(jù)處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在數(shù)據(jù)延遲和系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率偏低的缺點(diǎn)；并行結(jié)構(gòu)是由多個(gè)乘法器和多個(gè)加法器來完成數(shù)據(jù)的快速處理，但硬件電路資源消耗多；并行流水線結(jié)構(gòu)是在并行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入隔離寄存器，增加了硬件資源的消耗；DA算法結(jié)構(gòu)是基于查表實(shí)現(xiàn)，其加

2、法器硬件資源消耗相對(duì)較多。因此，為了解決硬件資源消耗與電路時(shí)鐘工作頻率的矛盾，在原有結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器，通過對(duì)它們的乘法單元和加法單元硬件電路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得其硬件電路資源消耗更少，速度更快，系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率更高。
　　FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)原理是將輸入信號(hào)與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)進(jìn)行線性卷積。為了降低FIR數(shù)字濾波器的硬件消耗和提高系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率，在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)、不同算法的FIR數(shù)字濾波器硬件

3、電路，并進(jìn)行了有針對(duì)性的乘法單元和加法單元的改進(jìn)。對(duì)串行、并行及并行流水線結(jié)構(gòu)采用本文設(shè)計(jì)的修正Booth算法12x13位乘法器和超前進(jìn)位加法器，在原有結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上對(duì)其硬件資源消耗和工作頻率進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)并行流水線DA算法加法樹結(jié)構(gòu)的FIR數(shù)字濾波器采用超前進(jìn)位加法器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率。
　　在FPGA平臺(tái)得到了優(yōu)化的FIR數(shù)字濾波器，其意義在于研究乘法器和加法器對(duì)系統(tǒng)硬件消耗和電路時(shí)鐘工作頻率的影響，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)

4、的乘法器和加法器硬件電路如何優(yōu)化提出指導(dǎo)性的建議。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件資源消耗和電路時(shí)鐘工作頻率影響做了深入細(xì)致的研究分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)不同算法、不同結(jié)構(gòu)的FIR數(shù)字濾波器，其改進(jìn)方案各有特點(diǎn)。在串行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)乘法器的硬件電路改進(jìn)，有利于減少硬件資源消耗和提高系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率；在并行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)加法器改進(jìn)，避免對(duì)乘法器改進(jìn)，有利于提高系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率；在并行流水線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)加法器進(jìn)行改進(jìn)，有利于減少

5、系統(tǒng)硬件資源消耗；在并行流水線DA算法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)加法器進(jìn)行改進(jìn)，有利于提高系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率。
　　綜上所述本文重點(diǎn)通過采用改進(jìn)12x13位乘法器和加法器硬件電路，對(duì)不同算法、不同結(jié)構(gòu)的FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使得改進(jìn)后的FIR數(shù)字濾波器在硬件資源消耗上更少，系統(tǒng)電路時(shí)鐘工作頻率上更高。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，利用上述結(jié)果能夠幫助設(shè)計(jì)者在FIR數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)中，對(duì)不同算法、不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速選型，大大縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)能