FIR数字滤波器

如今,FPGA已成为数字信号处理系统的核心组件,尤其是在数字通信,网络,视频和图像处理领域。今天的FPGA不仅包括查找表,寄存器,多路复用器,分布式块存储器,还包括嵌入式专用快速加法器,乘法器和输入输出设备。
FPGA具有实现高速并行计算的能力,是高性能数字信号处理的理想选择。此外,与专用集成电路(ASIC)相比,FPGA具有可重编程的优势。
根据单元的不同脉冲响应,数字滤波器主要分为两类:有限脉冲响应(FIR)和无限脉冲响应(IIR)。在相同的设计要求下,IIR方法具有少量的计算工作量。
但是,很难获得线性相位响应,并且系统不易稳定; FIR方法的计算稍大,但在设计任意幅频特性时,可以保证严格的线性相位特性;由于实现结构主要是非递归的,因此FlR过滤器可以稳定工作。 FIR数字滤波器是数字多普勒接收机的重要组成部分。
因此,研究FIR数字滤波器的实现技术具有重要意义。随着FPGA技术的不断发展,FPGA逐渐成为信号处理的主流设备。
在FPGA中,数字滤波器的不同实现方法所消耗的FPGA资源不同,滤波器的性能也大不相同。从串行结构可以看出,FIR滤波过程是逐步延迟信号的过程,并且每个级的延迟输出被加权和累加以获得滤波输出,其中最重要的操作是乘法 - 累积操作。
每次FIR完成滤波处理时,需要N次乘法和(N-1)次加法运算,N是滤波器的阶数。因此,滤波器的计算量完全取决于N的大小。
当N大时,延迟将非常长并且不能实现高速信号处理。根据滤波器的信号流程图,串行结构与多个乘法器和加法器并行扩展和实现,以获得FIR滤波器的并行实现结构,如图1(c)所示。
并行滤波器具有快速滤波速度并在一个时钟周期内执行一次滤波,但是消耗大量FPGA资源,例如乘法累加器,并且器件的延迟很大,并且工作频率不是太高。 FPGA具有常规内部逻辑阵列和丰富的布线资源,是数字信号处理的理想选择。
然而,FPGA曾用于系统逻辑或时序控制,很少用于信号处理。主要原因是FPGA中缺少有效的乘法结构。
随着FPGA技术的不断发展,查找表(LUT)技术的应用有效地解决了这一问题,使FPGA广泛应用于数字信号处理。