基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性，被广泛应用于音频处理、语音处理、信息系统等各种系统中。随着现代电子技术及EDA技术的发展，特别是可编程逻辑电路的发展，FIR数字滤波器的实现将变得更具有灵活性和实时性。FIR滤波器的实现有多种方法，其中基于分布式算法FIR滤波器的FPGA实现采用硬件结构，此算法的特点是运行速度快，能较好地实现实时处理，特别适合于高速实时的信号处理。本文提出了一种基于分布式算法改进型FIR滤波器的FPGA实现，并设计和实现了改进型FIR滤波器。
1 FIR数字滤波器的直接型结构
FIR数字滤波器的输入与输出可以用下式表示：

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式中：N为滤波器的阶数（或抽头数）；x（k）为第k时刻的输入样本值；h（k）为第k级抽头系数。FIR因为其单位脉冲响应h（n）是有限长而得名，即h（n）是一个有限长序列，对h（n）做Z变换就得到FIR数字滤波器的系统函数H（z）：

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由此可以得到FIR数字滤波器直接型的结构图如图1所示。

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2 改进型FIR数字滤波器算法
【基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现】 2.1 分布式算法的原理
分布式算法是一种重要的FPGA技术，广泛应用在计算乘积和之中。除了卷积之外，相关、DFT计算和RNS反演映射等都可以转化为乘积和（sum of products）的形式。
（1）无符号分布式算法
假设N项的乘积和表示为：

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又设系数h（n）是已知的常系数，x（n）是变量，设x（n）的表达式如下：

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其中xb（n）表示x（n）的第b位，x（n）是x的第n次采样，则y又可以表示为：

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（2）有符号分布式算法
对于有符号数补码数采用补码的表示方法。需要注意的是，在补码中，最高有效位是用来区别正数和负数的。将采用（B+1）位表达式：

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要实现有符号分布式系统，通常采用"带有加/减控制器的累加器"实现此系统，当xb（n）为0时进行加法运算，为1时进行减法运算。
2.2 串行分布式算法
串行分布式算法结构如图2所示。利用一个LUT实现映射，即2N字宽，预先编写好程序的xb=［xb（0），xb（1），…，xb（N-1）］的映射，经查找表查找后输出，

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N次查询循环后就完成了计算结果。

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以三阶四位有符号的数字滤波器为例，令滤波器的系数为{-2，1，3}，LUT可采用基于FPGA的逻辑查找表或利用FPGA自带的ROM实现。用case表实现的核心代码如下：
Process （table_ in）
Begin
Case table_ in is
when "000"=》 table_ out=0；
when "001"=》 table_ out=-2；
when "010"=》 table_ out=3；
when "011"=》 table_ out=1；
when "100"=》 table_ out=1；
when "101"=》 table_ out=-1；
when "110"=》 table_ out=4；
when "111"=》 table_ out=2；
when others=》 table_ out=0；
end case；
end process；
2.3 并行分布式算法
并行分布式算法结构如图3所示，图中虚线代表流水线寄存器，输入采用逐次采样（每次一个字）、位并行的形式。将每个数据的相同位递给LUT，对于输入的每一位都需要配置相应单独的表，且表的规模不固定（输入位宽等于滤波器抽头的数量），但表的内容相同。且不同的位对应不同的值，然后将从LUT中读取的数据经过处理后送入加法器中，每级的加法运算都是并行的。

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2.4 拆分查找表
并行分布式算法虽然能够有效提高系统运算的速度，但是占用的资源太大。串行分布式算法占用的资源小，但系统的运算速度慢。而且当N很大时，即在FIR滤波器中如果阶数很高时，作为查找表的ROM将很大，例如：假定N=16，输入LUT的位宽为16，则ROM的大小为16&TImes;216 bit，即1 Gbit 。N每增加一位，ROM容量就增加一倍，这种以2的幂次递增的资源占用是硬件资源不可接受的。
当系统对速度要求不太高、而滤波器的阶数很高时，可以采用拆分表减少ROM容量并将结果累加。如果再加上流水线寄存器，这个改进并没有降低速度，却可以极大减少LUT的设计规模。
假设长度为LN的内积：

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可以用一个DA结构实现。将和分配到L个独立的N阶并行DA的LUT之中，结果如下：

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例如：实现一个4N的DA设计需要3个次辅助加法器。而表格的规模从一个4N&TImes;2B的LUT降低到4个N&TImes;2B表。图4是拆分查找表的硬件结构图。

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3 基于FPGA实现的改进型FIR滤波器结构性能
3.1 16阶8位FIR滤波器的实现及仿真
本设计采用Altera公司的Cyclone II EP2C35F672C8器件，在Quartus II 5.0下仿真，FIR滤波器为16阶，输入数据为8位（最高位代表符号位）。如果采用单个查找表的面积为28&TImes;16 bit，面积太大。采用拆分查找表的结构能减少面积，在Altera公司的一系列FPGA中LUT查找表采用四输入查找表，因此单个表可以拆分为2个四输入的查找表。因为设计的是线性相位滤波器，这样单个表的面积就得到了最优化。同时单个查找表的连线是LUT查找表的内部连线，减少了互联的资源和连线的延迟。查找表计算方法如表1所示。

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设输入序列为{99，0，0，0，70，0，0，0，99，0，0，0，70，0，0，0}，滤波器的系数为{-12 -18 13 29 -13 -52 14 162 242 14 -52 -13 29 13 -18} 。仿真结果如图5所示。

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本设计的时钟主频可达73.49 MHz，占用了236个逻辑单元，占整个LC（Logic cell）的2% 。可见拆分查找表的方式实现FIR滤波器速度较快，占用的资源少。
若要实现更高阶的滤波器，拆分查找表法的优势将更加明显。另外，如果是线性相位的滤波器，表的个数将能缩小一倍。本设计即为线性相位滤波器。
3.2 改进型FIR滤波器在FPGA中实现的特点分析
为了分析改进型FIR滤波器在FPGA中实现的特点，利用VHDL语言程序分别设计了16阶的串行、并行及直接型FIR滤波器，并与相应的拆分查找表法FIR滤波器进行比较，其各自的运行速度及占用FPGA资源的情况如表2所示。

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从表2可以看出，改进型滤波器与直接型相比存在两大明显的优势。一方面，在滤波器阶数相同时，改进型FIR滤波器在FPGA资源占用上比直接型更少；另一方面，系统运行的速度比直接型更快。而且，随着滤波器阶数的增加，这种优势更加明显。串行滤波器完成一次运算需要8个时钟周期，为了把数据分为8个时钟周期进行计算，采用了移位寄存器，这样单个表的面积相当大，从而占用了大量资源，工作速度也受到了限制。并行分布式滤波器在1个时钟周期完成了累加，提高了工作速度，但所用面积较大。拆分查找表法滤波器大大减少了面积，而且速度并没有降低。
本设计采用了拆分查找表方法，影响系统速度的是加法器组，可以对滤波器进一步改进，如对加法器组利用流水线、编码等技术可以提高工作速度。
通过以上的理论分析和仿真结果表明，基于FPGA器件的拆分查找表FIR算法，占用资源少、运算速度快，在资源允许的条件下可根据实际应用任意确定滤波器的长度和阶数，是一种比较实用可靠的高效设计方法。

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

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