數(shù)字濾波器可以濾除多余的噪聲，擴展信號頻帶，完成信號預調，改變信號的特定頻譜分量，從而得到預期的結果。數(shù)字濾波器在DVB、無線通信等數(shù)字信 號處理中有著廣泛的應用。在數(shù)字信號處理中，傳統(tǒng)濾波器通過高速乘法累加器實現(xiàn)，這種方法在下一個采樣周期到來期間，只能進行有限操作，從而限制了帶寬。
現(xiàn)實中的信號都是以一定的序列進入處理器的，因此處理器在一個時鐘周期內只能處理有限的位數(shù)，不能完全并行處理?；诓⑿辛魉€結構的FIR濾波器 可以使筆者設計的64階或者128階濾波器與16階濾波器的速度一樣快，其顯著特別是在算法的每一個階段存取數(shù)據。FPGA結構使得以采樣速率處理數(shù)字信 號成為常數(shù)乘法器的理想載體，提高了整個系統(tǒng)的性能。由于設計要求的差異，如字長、各級輸出的保留精度等不同，在整個設計過程中，各個環(huán)節(jié)也有所不同，這 就需要根據不同的要求對數(shù)據進行不同的處理，如截斷、擴展等，從而設計出既滿足設計需要，又節(jié)省FPGA資源的電路。. .
1 FIR并行濾波器結構
數(shù)字濾波器主要通過乘法器、加法器和移位寄存器實現(xiàn)。串行處理方式在階數(shù)較大時，處理速度較慢。而現(xiàn)代數(shù)字信號處理要求能夠快速、實時處理數(shù)據，并行處理數(shù)據能夠提高信號處理能力，其結構如圖1所示。
從上面的算法可以看出，處理數(shù)據的采樣時鐘對每一個抽頭來說都是并行的，并且加法器和移位寄存器采用級聯(lián)方式，完成了累加器的功能，綜合了加法器和 移位寄存器的優(yōu)點，而且這種算法的各級結構相同，方便擴展，實現(xiàn)了任意階數(shù)的濾波器。算法中，真正點用系統(tǒng)資源的是乘法器。如果將系數(shù)量化成二進制，就能 采用移位寄存器和加法器實現(xiàn)乘法功能。對于一個特定的濾波器，由于它有固定的系數(shù)，乘法功能就是一個長數(shù)乘法器。下面將討論乘法器的設計問題。
2 FIR并行濾波器的乘法器設計
在并行濾波器的設計中，每一個乘法器的一端輸入數(shù)據，另一端為固定常數(shù)。對于常數(shù)乘法器，可以預先將常數(shù)的部分乘積結構存儲起來，然后通過查表的方式實現(xiàn)兩個數(shù)據的乘積。以16位輸入、常數(shù)為14位的乘法器為例，給出其實現(xiàn)結構如圖2所示。
對于無符號數(shù)來說，這是一種理想結構。但是在實際使用中，通常使用有符號數(shù)且常用補碼的形式，因此需要對這種結構進行改進。一種改進方法是將輸入的 數(shù)據分開，即最高的幾位作為有符號數(shù)處理，其它作為無符號數(shù)處理。第二種改進方法是將符號數(shù)經過補碼/原碼變換器變換成原碼，然后，將原碼作為無符號數(shù)處 理，通過有符號數(shù)的符號位來控制加法器的加減。第三種改進方法是一種優(yōu)化方法，即要用三個二進制補碼變換器，處理輸入的有符號數(shù)和濾波器的系數(shù)，這樣可以 避免使用有符號數(shù)的乘法和加法運算。具體的乘法累加器運算過程及結果如圖3所示。其中，對應乘數(shù)高位和低位部分積p1(n)和p2(2)可以分別先垂直相 加后水平相加，或者先水平相加后垂直相加，最后的結果是一樣的。若采用后種方法，由于FIR濾波器的h(n)均為常數(shù)，得到部分積的矢量乘法運算就演變成 了查表法，其中，S1(n)表示S(n)的最低有效,p1表示最低有效位部分積之和。
同理，得p2，將p2左移一位與p1相加，便得到最后結果。這種查表法就是采用流水線技術進行FIR濾波器算法分解的基礎，當字長增加時，相應得到 p3、p4等。并相應移位相加即可。 在這種結構中，時鐘是f1，內部操作的時鐘是4×f1，其中的4個多路復用器每次可以從16路信號中選出4位用作ROM的地址線。每次4位地址從ROM中 讀出數(shù)據，經過相應的移位相加即可，兩位計數(shù)器用來控制這些多路復位器的輸出。
比較圖6與圖7，不難看出，系數(shù)在量化前后的頻域特性是不同的，量化帶來了頻域特性的惡化。在驗證了量化后的頻域特性滿足設計要求和系數(shù)的有效性之 后，就可以進行FPGA電路的設計。 本文介紹了并行高效數(shù)字濾波器的設計方法，給出了電路的仿真結果。利用VHDL語言，采用可重復配置的FPGA，降低了設計成本，提高了系統(tǒng)的適用性。由 于FIR濾波器的系數(shù)是常數(shù)，可以保存在ROM中，在運算的通過查找表的方法可很快得到乘法輸出，減少了使用的資源和布線延時，節(jié)省了運算時間。在設計 中，充分利用先進的EDA團體操，大大提高了設計效率。
采用流水線技術和加法器的資源共享技術可以更好地提高常數(shù)乘法器的優(yōu)越性。16比特輸入、14比特常數(shù)的這種方法的常數(shù)乘法器的結構如圖4所示。
3 FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)
按照第2節(jié)所描述的第三種優(yōu)化方法實現(xiàn)常數(shù)乘法器，乘法器輸出以后按照圖4所示的濾波器結構，通過流水線技術的加法器可以實現(xiàn)高效的濾波器。值得注意的是：在乘法器輸出的時候需要對輸出的數(shù)據進行一位擴展，可以避免加法器的溢出問題。
為了有效地利用資源，先通過多路復用器將輸入的序列復選出來，這樣所有常數(shù)乘法器可以共用一個多路復用器，然后通過ROM查表方法實現(xiàn)常數(shù)乘法器。優(yōu)化后的原理結構如5所示。
4 FIR濾波器的電路設計與仿真結果
在數(shù)字濾波器設計時，首先根據濾波器的頻率特性，選定濾波器的長度和每一節(jié)的系數(shù)。就目前的設計手段而言，對節(jié)數(shù)和系數(shù)的計算可以采用等波動 REMEZ逼近算法編程計算。但是，目前最好的方法還是使用使用的EDA軟件來完成。在選擇了設計方法和設計要求后，計算出各節(jié)系數(shù)，并以圖形的直觀形式 顯示幅頻、相頻、沖激響應和零極點圖。
圖6是一個采用等波動設計方法生成的均方根升余弦（RRC）FIR濾波器的頻域特性。其中，滾降系數(shù)為0.35，輸入數(shù)據率是2.048MHz。
由于在數(shù)字濾波器中，各節(jié)系數(shù)字長有限，所以還要對計算出來的實系數(shù)進行量化處理，即浮點數(shù)向定點數(shù)轉換。系數(shù)量化后的頻域特性如圖7所示，量化字長為12。
筆者采用流水線技術，根據得到的濾波器系數(shù)用VHDL語言編寫了濾波器程序。為了充分利用FPGA中四輸入查找表的電路結構，一般采用每8節(jié)為濾波器的一個基本單元。設計中通過采用流水線技術提高速度，對于更多階數(shù)濾波器的設計，可以采用擴展的方法來實現(xiàn)。
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