??? 摘?要: 提出了一種采用現場可編程門陣列器件(FPGA)并利用窗函數法實現線性FIR數字濾波器的設計方案，并以一個十六階低通" title="低通">低通FIR數字濾波器電路的實現為例說明了利用Xilinx公司的Virtex-E系列芯片的設計過程。對于在FPGA中實現FIR濾波器的關鍵——乘加運算，給出了將乘加運算轉化為查找表" title="查找表">查找表的分布式算法" title="分布式算法">分布式算法。設計的電路通過軟件進行了驗證并進行了硬件仿真，結果表明：電路工作正確可靠，能滿足設計要求。
??? 關鍵詞： FIR濾波器? FPGA? 窗函數? 分布式算法? 流水線
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??? 隨著數字技術日益廣泛的應用，以現場可編程門陣列（FPGA）為代表的ASIC器件得到了迅速普及和發展，器件集成度和速度都在高速增長。FPGA既具有門陣列的高邏輯密度和高可靠性，又具有可編程邏輯器件的用戶可編程特性，可以減少系統設計和維護的風險，降低產品成本，縮短設計周期。
??? 分布式算法是一種以實現乘加運算為目的的運算方法。它與傳統算法實現乘加運算的不同在于執行部分積運算的先后順序不同。簡單地說，分布式算法在完成乘加功能時是通過將各輸入數據每一對應位產生的部分積預先進行相加形成相應部分積，然后再對各部分積進行累加形成最終結果，而傳統算法是等到所有乘積產生之后再進行相加來完成乘加運算的。與傳統算法相比，分布式算法可極大地減少硬件電路規模，很容易實現流水線處理,提高電路的執行速度。
??? FPGA有著規整的內部邏輯塊陣列和豐富的連線資源，特別適合細粒度和高并行度結構特點的數字信號處理任務，如FIR、FFT等。本文詳細討論利用FPGA實現FIR濾波器的設計過程，并且對設計中的關鍵技術——分布式算法進行詳細描述。
1 FIR和分布式算法
1.1 FIR的基本概念
??? FIR濾波器的數學表達式為：
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式中,N是FIR濾波器的抽頭數；x(n)表示第n時刻的輸入樣本；h(i)是FIR濾波器的第i級抽頭系數。
??? 普通的直接型FIR濾波器結構如圖1所示。
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??? FIR濾波器實質上是一個分節的延遲線，把每一節的輸出加權累加，便得到濾波器的輸出。對于FIR濾波器，幅度上只需滿足以下兩個條件之一，就能構成線性相位" title="線性相位">線性相位FIR濾波器。?
??? h(n)=h(N-1-n)???????????????????????????????????? ??? ??(2)
??? h(n)=-h(N-1-n)??????????????????????????????????????????(3)
??? 式(2)稱為第一類線性相位的幅度條件(偶對稱)，式(3)稱為第二類線性相位的幅度條件（奇對稱）。
1.2? FIR濾波器的優化
??? 在實際應用中，為了減少邏輯資源的占有量和提高系統的運行速度，對FIR濾波器需要進行優化處理。本文采用的優化主要有兩種：一種是對表達式進行優化，另一種是在FPGA實現中利用特有的查找表進行優化。
1.2.1 表達式的直接優化
??? 對于線性相位因果FIR濾波器，它的系數具有中心對稱特性，即h(i)=±h(N-1-i)。令s(i)=x(i)±x(N-1-i)，對于偶對稱，代入式(1)可得：
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??? 根據方程(4)，線性相位FIR濾波器的直接型結構可以改為如圖2所示的結構，從而使N次乘法減少為[N/2]次，加法次數增加了[N/2]次（N為偶數），總的運算量減少。
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1.2.2 利用查找表進行設計優化
??? 由于實現的是固定系數的FIR濾波器，所以可以利用簡化的乘法器（如查找表）減少設計所耗用的器件資源。
??? 以一個8階FIR濾波器為例來說明在FPGA實現中優化的過程。假定濾波器的輸入為2bit的正整數，由式(4)可以得到輸出為：
??? y(n)=s(0)h(0)+s(1)h(1)+s(2)h(2)+s(3)h(3)?????????????? （5）
??? 這時的乘法和加法就可以并行地采用查找表實現，其結構示意圖如圖3所示。
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??? 在圖3中，右面4個信號是輸入的低位bit，左邊是輸入信號的高位bit。低位和P1最多使用4bit，由于系數固定，查找表實現起來很方便；高位和P2可按同樣方法計算。在該結構中，部分積P1和P2可以利用Virtex-E的4輸入查找表實現，所有的計算都可并行完成。由于輸入為2bit，因此只用了一個加法器；對于更多位數的輸入來說，將需要更多的加法器。這樣就實現了將乘法器轉化為加法器，減少了邏輯資源，優化了設計。
1.3? 分布式算法
??? 分布式算法在20多年前被首次提出，但直到Xilinx發明FPGA的查找表結構以后，分布式算法才在20世紀90年代初重新受到重視，并被有效地應用在FIR濾波器的設計中。下面介紹分布式算法的原理。
??? 式(1)可以用下式表示：
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??? 式中，hi即h（i），xi(n)即x(n-i)，N為濾波器的抽頭數。
????把數據源數據格式規定為2的補碼形式，則：
??? 
式中，xib(n)為二進制數，取值為0或1；xi 0(n)為符號位，為1表示數據為負，為0表示數據為正。將(7)式代入(6)式可得：
??? 
??? 由此可以看出，方括號中是輸入變量的一個數據位和所有濾波器抽頭系數h0～hi的每一位進行“與”運算并求和。而指數部分則說明了求和結果的位權，整數乘以2b就是左移b位，對此可以通過硬件連線實現，不占用邏輯資源。這樣就可以通過建立查找表來實現方括號中的運算，查找表可用所有輸入變量的同一位進行尋址。
2 系統設計與實現
??? 下面以一個16階的線性相位FIR低通濾波器為例說明設計的過程。
2.1 設計指標及參數提取
2.1.1 濾波器的設計指標
?? ?采樣頻率：≥50MHz??????? 歸一化截止頻率:0.4MHz
?? ?類????? 型：低通?????? 輸入數據寬度：8位
?? ?階????? 數：16階????? 輸出數據寬度：16位
2.1.2 參數提取
??? 采用漢寧窗函數(Hanning)設計16階線性相位FIR數字濾波器，并提取其特性參數。
??? 這里需要注意的是：下載到FPGA的程序是按照FIR濾波器的差分方程式編寫的。由于從MATLAB中算出的系數h(n)的值是一組浮點數，而FPGA器件只進行定點值的計算，所以要進行浮點值到定點值的轉換。假定“1”對應10000000000000000(17位，相當于乘上65536)。
??? 用漢寧窗(Hanning)進行設計，此16階FIR數字低通濾波器特性參數經過換算如下：
??? h[0]=h[15]=0000? h[1]=h[14]=0065? h[2]=h[13]=018F? h[3]=h[12]=035A h[4]=h[11]=0579? h[5]=h[10]=078E? h[6]=h[9]=0935?? h[7]=h[8]=0A1F
2.2 系統具體實現步驟
2.2.1 查找表的建立
??? 我們知道，如果濾波器抽頭數N過多，用單個查找表就不能夠執行全字（因為查找表位寬＝濾波器抽頭數的數量）。在這種情況下，可以將表的地址輸入位數（即濾波器抽頭數N）進行降低，即利用部分表并將結果相加。如果加上流水線寄存器，這一改進并沒有降低速度，但是卻可以極大地減少設計規模，因為查找表的規模是隨著地址空間，也就是濾波器抽頭數N的增加而呈指數增加。
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濾波器抽頭數是16個，考慮到線性FIR濾波器的偶對稱特性，只考慮8個獨立濾波器抽頭數，則需要一個28×8的表(其中指數8指的是8個濾波器抽頭數，后面的8指的是輸入數據的位寬)。但是Virtex-e FPGA只能提供4輸入的查找表，所以要對查找表的地址進行電路分割。將8位地址線分為高4位和低4位，分別作為兩個24×8的查找表的地址輸入，從而指數倍地節省了硬件資源。
??? 查找表的具體內容如表1所示。
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2.2.2 查表" title="查表">查表計算部分積累加和的過程
??? 假定輸入數據x[n]的值x[0]=110=000000012c,x[1]=-110=111111112c,x[2]=310=000000112c,x[3]=210=000000102c。(注：2c代表用二進制補碼表示,最高位為符號位。)
??? 查找表(1)的部分積如表2所示。
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??? 數據校驗結果:h[0]x[0]+h[1]x[1]+h[2]x[2]+h[3]x[3]＝2812。
??? 說明利用分布式查表算法的計算結果與直接計算結果相同，算法正確無誤。
??? 查找表(2)的查表計算結果依此類推。只是需要注意：查找表(2)的數據輸入x是8位數據x[4]、x[5]、x[6]、x[7],而不是x[3]、x[2]、x[1]、x[0]。根據系數偶對稱性質，x[8]、x[9]、x[10]、x[11]查查找表(2)，x[12]、x[13]、x[14]、x[15]查查找表(1)。
3 設計結果
??? 本系統的FPGA采用Xilinx公司的Virtex-E系列中的XCV100E FPGA，使用的軟件是Xilinx公司的ISE5.2i及Modelsim公司的Modelsim時序仿真工具，對FIR濾波器進行描述編程使用的是VHDL語言。
??? 實現FIR濾波器的最上層的原理圖如圖4所示，輸入16個8位數據data_in={1,-1,3,2,2,-1,1,-1,1,-1,3,2,2,-1,1,1}。
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??? 系統仿真的時序圖如圖5所示。所設計FIR濾波器的幅頻、相頻、單位脈沖沖激響應如圖6～8所示。
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??? FIR濾波器是DSP的基本運算形式之一。本文介紹的基于FPGA的分布式算法提高了系統運行的速度并且節省了大量的FPGA資源。通過階數以及查找表中抽頭系數的設定，還可以靈活地實現除低通外的高通、帶阻和帶通濾波器。
??? 設計的電路已通過FPGA驗證，說明工作正常，符合設計指標。
參考文獻
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