CC BY
6ISSN 2221-2574
Цифровая обработка сигналов в радиосистемах
УДК 621.3.09; 612.396.94
Реализация цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой посредством аппаратного синтеза на кристалле ПЛИС
Смирнов М.С.
Проведен анализ возможности реализации цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой посредством аппаратного синтеза на кристалле ПЛИС компании Altera. Проведен синтез 16-разрядного КИХ-фильтра параллельной, последовательной и смешанной архитектуры.
Ключевые слова: ПЛИС, КИХ-фильтр, параллельная архитектура, последовательная архитектура, многоканальная архитектура.
Введение
Фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтром) называют цифровые фильтры, у которых импульсная характеристика имеет конечную длину. То есть только ограниченное число член входного ряда вносит свой вклад в формирование выходного сигнала. Для реализации таких свойств КИХ-фильтры не могут иметь рекурсивных членов.
В цифровых системах КИХ-фильтры используются для подавления шума, формирования спектральной характеристики системы или для выделения сигнала.
Традиционным средством для реализации большинства ЦОС алгоритмов (в том числе и КИХ-фильтров) служат DSP-процессоры. Достоинство процессоров состоит в том, что скорость работы у них сочетается с гибкостью программной реализации.
Постановка задачи
Программная реализация DSP - процессоров сильно зависит от ограниченного числа аппаратных устройств для выполнения операций умножения с накоплением, что в свою очередь приводит к большому числу тактов на выполнение одной операции фильтрации. При этом количество тактов прямо пропорционально порядку фильтра.
Использование аппаратной реализации при помощи программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) дает возможность увеличить скорость фильтрации на 1-2 порядка (таблица 1).
Таблица 1.
Устройство Реализация Количество тактов
DSP 1 МАС ~120
ПЛИС 1 посл. фильтр 12
1 парал. фильтр 1
Как видно из таблицы 1, скорость выполнения фильтрации в 10-100 раз превышает скорость Б8Р-процессора.
Реализация КИХ-фильтров
При помощи специальных средств разработки, существует возможность автоматической реализации коэффициентов для всех видов фильтров: НЧ-фильтра, ВЧ-фильтра, полосового фильтра, полового режекторного фильтра и т. д.
Использование ПЛИС дает возможность реализации параллельной, последовательной или многоканальной структуры КИХ-фильтров.
Параллельный КИХ-фильтр (рис. 1) способен формировать выходной сигнал на каждом такте.
Данная структура обеспечивает наивысшую производительность, однако занимает набольшую площадь кристалла.
Цифровая обработка сигналов в радиосистемах
ISSN 2221-2574
in - -D Q_l
и Q-l
и Q-l
и Q —
-D Q_l
Ud Q1
u Q_l
u Q
D
□
D
Qh 5Ь
D Q
□
D Q
D
т
D
Q
□
D Q
D
Q
__q
<J-4d Q^I-HD QI—
Qd Qj-j
D
□
D
Q Q
D
Q
D Q
Перемножитель битовых массивов
Перемножитель битовых массивов
Ф-
Аккумулятор
т
yout
Рис. 2. Реализация последовательного КИХ-фильтра
Последовательная структура (рис. 2) занимает гораздо меньшую площадь кристалла, однако за это приходится расплачиваться производительностью.
Последовательный фильтр способен принимать только 1 бит за такт. Таким образом, последовательный фильтр формирует выходной сигнал через N тактов после поступления входного.
Многоканальная структура КИХ-фильтра объединяет несколько последовательных фильтров в параллельной структуре. Структура обеспечивает большую скорость обработки входного сигнала, чем последовательный фильтр и занимает меньшую площадь кристалла, чем аналогичный параллельный.
Последовательные фильтры, объединённые в многоканальную параллельную структуру, пропорциональный выигрыш в скорости по сравнению с одиночным последовательным фильтром.
Последовательному 16-битному КИХ-фильтру требуется 16 тактов для завершения одной итерации вычислений. При этом смешанному КИХ-фильтру с двумя последова-
Поступила 10 декабря 2010 г.
тельными структурами, объединенными параллельно, требуется всего 8 тактов для той же операции.
Особенности архитектуры ПЛИС позволяют создавать смешанные структуры фильтрации. В данном случае могут смешиваться последовательные и параллельные фильтры с различными коэффициентами. Каждый фильтра тактируется своей частотой, и предназначен для фильтрации различных потоков данных.
Литература
1. Оппенгейм, А.; Шафер, Р. Цифровая обработка сигналов / под ред. А.С. Ненашева; пер. с англ. С. А. Кулешова. - М.: Техносфера, 2006. -856 с.
2. Зубарев Ю.Б., Витязев В.В., Дворкович В. П. Цифровая обработка сигналов - информатика реального времени // Цифровая обработки сигналов. - 1999. - №1.
The designing and analyzing filters with fixed impulse response. Synthesis FIR-filters in Altera Cyclone III FPGA family.
Key words: FPGA, FIR-filter, serial structure, parallel structure, multibit serial structure.
Смирнов Михаил Станиславович - старший преподаватель кафедры радиотехники Муромского института (филиала) ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых».
