基于分布式算法的FIR滤波器设计1.doc

目录 1绪论 3 1.1概述 3 1.2课题的研究目的和意义 3 1.3国内外的研究现状 4 2 FIR数字滤波器的设计 6 2.1数字滤波器概述 6 2.2传统的乘累加结构FIR数字滤波器基本理论 7 2.3乘累加运算的分布式算法原理分析 13 2.4 FPGA实现过程中查找表的构造方法 14 2.5采用分布式算法实现FIR数字滤波器 15 3具体实现过程和仿真波形 18 4总结 24 5参考文献 25 基于分布式算法的FIR滤波器设计 摘要： 在利用FPGA实现数字信号处理方面，分布式算法发挥着关键作用，与传统的乘积-积结构相比，具有并行处理的高效性特点。详细研究了基于FPGA、采用分布式算法实现FIR数字滤波器的原理和方法，并通过进行了仿真。关键词： 分布式算法 DALUT FPGA FIR 1.1概述 随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列FPGA为代表的ASIC专用集成电路器件得到了迅速普及和发展,器件集成度和速度都在高速增长。FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编程逻辑器件的可编程特性,可以减少系统设计和维护的风险,降低产品成本,缩短设计周期。 分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法,它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。简单地说,分布式算法在完成乘加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进行相加形成相应部分积,然后再对各部分积进行累加形成最终结果,而传统算法是等到所有乘积产生之后再进行相加来完成乘加运算的。与传统算法相比,分布式算法可极大地减少硬件电路规模,很容易实现流水线处理,提高电路的执行速度。 1.2 课题的研究目的和意义 在数字信号处理中,FIR数字滤波器是最常用的单元之一。它用于将输入信号x[n]的频率特性进行特定的修改,转换成另外的输出序列y[n]。传统的FIR数字滤波器多采用诸如TMS320CXX系列的专用DSP芯片,根据输入采样的移位相乘累加编写软件,利用软硬件的相互结合完成滤波器的设计。但DSP芯片是基于哈佛体系结构的,它的顺序处理方式限制了数据的处理速度和吞吐量。 由于在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势,基于FPGA的数字信号处理器已广泛应用于图像、视频和无线通信领域。采用分布式算法的FPGA 滤波器采用纯硬件的方式实现FIR滤波,其突出的优点是：运算速度不再和滤波器的阶数正相关,而是与采样数据的宽度相关，特别适合于高阶高速FIR滤波器的设计。 1.3 国内外的研究现状 嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一次又一次的革新。虽然ASIC的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大，而可编程逻辑器件(Programmable Logical Device)设计灵活、功能强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件(Field Programmable Gate Array)其设计性能已完全能够与ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能价格比已足以与ASIC抗衡。因此,FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。 作为嵌入式系统的基础元件之一，FPGA的面貌正日新月异：逻辑单元不断增加、单位成本和功耗不断降低,而根本的设计灵活性和快速转换能力却始终未变。在变与不变的共同推动下,FPGA的价值发生了变化,它已从纯粹的建模工具发展成为适合中小批量生产的应用器件,而其应用也从早期的嵌入式通信系统扩展到了低成本的消费电子。 FPGA之所以越来越多地在嵌入式系统中得到应用,主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步,从而能够满足OEM日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功耗要求。“内外两个因素正驱动着这种以价值为基础的FPGA市场的高速发展。”Act公司中国区经理夏明威如是说，“内因是FPGA单位成本的急速下降。凭借半导体工艺技术的不断进步和制造效率的提高,FPGA已在很多对成本高度敏感的市场上与ASIC平分秋色。” 市场分析师对可编程逻辑器件市场的预测也验证了这一趋势。首先据市场调研公司Gartner Dataquest预测，2003到2008年，整体可编程逻辑市场的复合年均增长率达38%；其次,他们预测这一增长是由汽车和消费电子应用驱动的。他们还认为,FPGA在消费电子中的应用将于2008年超过10亿美元,即接近其2002年营收水平的10倍。增长的推动力主要来自全球数字和高解晰度广播电视传输标准、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子显示技术、以及家用DVR和DVD-W技术应用的不断上升；在汽车领域，FPGA将越来越多用于驾驶室内娱乐系统和GPS导航系统、信息、通信和安全系统。以FPGA为核心的PLD产品是近