1、2006年第7期信息技術中圖分類號:T N713.1文獻標識碼:A文章編號:1009-2552(200607-0031-03基于MAT LAB及FPG A的高速FIR濾波器的設計張馳,郭黎利,孫巖(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院,哈爾濱150001摘要:FIR濾波器是一種被廣泛應用的基本的數字信號處理部件。現提出采用M AT LAB的窗函數方法設計并在FPG A上實現高速FIR濾波器的一種新的方案。這種結構采用流水線技術,通過對高速乘法器的合理分割并組合Wallace加法樹陣列構成,可以方便地調整濾波器的階數和系數,適合不同場合的應用。通過編程調試結果表明,該設計是可靠的,可作為高速數字濾波

2、器設計的較好方案。關鍵詞:濾波器;M AT LAB;流水線;現場可編程門陣列器件A high speed FIRfilter design b ased on MA T LAB and FPG A deviceZHANG Chi,G UO Li2li,S UN Y an(College of I nform ation and Communication E ngineering,H arbin E ngineering U niversity,H arbin150001,China Abstract:FIR filter is a basic processing unit for digi

3、tal signal in comm on use.This paper presents a scheme which is designed with a FIR filter of high linear phase and can effectively realized in FPG A.This structure is made into effect by a rational division of the high-speed multiplier and recoganization in Wallace adder array tree with the aide of

4、 pipelining technology.The orders and the coefficients of the filter may flexibly be tuned, and it may suit to versatile applications.It is a better scheme for designing high speed digital filter through the programming and debugging.K ey w ords:filter;M AT LAB;pipelining;FPG AFIR數字濾波器被廣泛的應用于數字信號處理(

5、DSP系統,它可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求,避免模擬濾波器溫漂和噪聲等問題,具有精確的線性相位,容易用硬件實現,并且系統穩定。在非實時或低速系統中,FIR算法可以在DSP 或CPU上用軟件實現,但是在一些實時性要求較高的如雷達控制或無線通訊等系統中,由于程序的順序執行,此時傳統直接型的FIR濾波器結構已不能滿足高速系統的要求,其主要原因是受到乘法器和加法器電路的限制。FIR濾波器的直接型結構如圖1所示,這種結構的時延為T N+N T A,其中T N為乘法器的延遲,TA為加法器的延遲,N+1為濾波器的階數。顯然,這種結構隨濾波器階數的增加延遲也相應迅速增加。本文使用流水線技術,通過對

6、基于改進Booth算法的并行乘法器的分割重組,結合4-2壓縮加法器組成的Wallace加法樹,以及最終加法器構成了一種高采樣率的FIR濾波器。在流水線的結構下,幾乎不增加任何延時就可以實現任何階數的高速FIR濾波器。文章最后采用該結構實現了一種32階的FIR濾波器,并對各個流水線級做了時延分析。圖1普通的直接型FIR濾波器的結構收稿日期:2005-12-26作者簡介:張馳(1978-,男,2001年畢業于哈爾濱工程大學,教師,研究方向為通信與信息系統。131Booth 乘法器結構與流水線技術111改進型Booth 算法的并行乘法器結構乘法器是通用微處理器以及數字信號處理器的一個基本元件,它的運

7、算速度直接影響到整個處理器運算的性能。本文采用的Booth 乘法器是基于改進型Booth 編碼算法并以Wallace 加法樹的并行結構來實現的,它主要由三個模塊組成:Booth 編碼模塊、部分積加法器陣列模塊以及最終加法器模塊。這種結構通過改進型的Booth 編碼,使得部分積的數目減為一半,對于N 位的乘法器來說,其部分積的數目成為N /2個。部分積加法器陣列將這N 2個部分積相加生成2N 位的進位項和2N 位的和項,最后,由進位傳遞加法器和進位選擇加法器組成的最終加法器,將這2N 位的進位項和2N 位的和項相加產生乘積項。具體實現結構如圖2所示。 圖2Booth 乘法器結構在Booth 乘法

8、器設計中,部分積加法器陣列模塊使用了由4-2壓縮加法器組成的Wallace 加法樹結構。由于使用4-2壓縮加法器,電路的結構大大簡化,并提高了性能。圖2中間部分為Booth 乘法器部分積加法陣列模塊的Wallace 樹結構,其中每個小方框圖為一個4-2壓縮加法器,它有5個輸入和3個輸出端,在乘法器中能夠將4個部分積壓縮為兩個新的積。另外,在這個4-2壓縮加法器中C out2的產生與Cin 的輸入無關,這正是設計者所需要的,因為C out2與下一個4-2壓縮加法器的Cin 相連,如果它的產生與本身的Cin 有關,將產生較大的傳輸延遲,這一優點,使電路性能得到很大提高。最終加法器模塊也是Booth

9、 乘法器設計中的一個關鍵部分,它的延時長短直接影響到最終乘積的產生速度。最終加法器的設計是低位部分采用超前進位加法器,高位部分采用進位選擇加法器。1.2流水線技術流水線(Pipelining 技術的核心設計思想是把一個周期內執行的邏輯操作分成幾步較小的操作,并在多個高速的時鐘內完成,每一次邏輯小操作的結果都存儲在寄存器中,被高速時鐘同步以便下一個流水線單元使用,因而它是速度優化中最常用的技術之一,在現代的微處理器、數字信號處理器、高速數字系統設計中廣泛應用。事實上使用流水線并不會減少設計中的總延時,有時甚至會增加插入寄存器的延時及信號同步的時間差,但卻可以提高總體的運行速度。在設計流水線結構的

10、電路時,通常把延時較大的模塊切割成幾塊延時大致相等的組合邏輯塊,在這些組合邏輯塊之間插入寄存器,整個流水線的工作時鐘周期取決于組合邏輯塊中延時最大的模塊。2濾波器的結構優化2.1乘法器的分割本文對圖2結構進行改進,將Booth 乘法器分割成兩個部分,一部分為Booth 編碼模塊及部分積加法器陣列模塊,另一部分為最終加法器模塊。由于每個乘法器都會從部分積加法器陣列模塊輸出一個2N 位(N N 位的進位項以及一個2N 位的和項,對M 階的濾波器,將會產生M 項2N 位的進位項及M 項2N 位的和項,本文對上述所得2M 項用由4-2壓縮加法器組成的Wallace 加法樹進行相加,從而壓縮為一對新的和

11、項和進位項,并通過最終加法器相加得到濾波器的輸出,這就把乘法器中分割出來的最終加法器模塊移到了整個濾波器結構的最后,同時在結構上省掉這個模塊,使本文設計的濾波器結構更加緊密。2.2流水線結構中模塊的劃分上述改進的FIR 濾波器結構可以用圖3所示的3級流水線來實現,Booth 編碼模塊、部分積加法器陣列模塊作為流水線設計的第一級,對2M 項數據壓縮相加的Wallace 加法樹作為流水線設計的第二級,最終加法器作為流水線設計的第三級。當實現的濾波器的階數較低時,第一級是整個FIR 濾波器速度的瓶頸部分,它直接決定了整個濾波器的工作頻率。當實現的濾波器的階數很高時,第二級將成為濾波器速度的瓶頸,主要

12、取決于由4-2壓縮加法器組成的Wallace 加法樹的層數,對于M 階的N 位FIR 濾波器,第一級流水線中Wallace 加法樹的層數為log 2(N /4,第二級流水線中Wallace 加法樹的層23數為log2M。圖3流水線濾波器的改進結構2.3最終加法器的面積優化本文采用的Booth乘法器的最終加法器由進位選擇加法器及超前進位加法器組成,由于使用流水線技術,要求這個部分的時延與其它流水線級近似相等,于是,當濾波器的輸入輸出位數N的值比較小時,可直接用全加器組成的進位傳遞加法器代替;如果N的值比較大,可采用2位或4位超前進位加法器來代替全加器組成最終加法器,從而可使設計面積優化。3濾波器

13、的M A T LA B設計與FPG A實現3.1參數提取設計指標如下:通帶類型:低通;通帶衰減:3dB采樣頻率:20MH z;截止頻率:3MH z阻帶截止頻率: 3.5MH z;阻帶衰減:30dB階數:32;位數:8根據以上指標,利用M AT LAB函數很容易得到濾波器的系數h(n。本文選用漢明窗作為窗函數,計算出線性相位32階FIS低通數字濾波器的特性參數如下:表1濾波器特性參數h(0,h(310.022263h(8,h(230.034335 h(1,h(300.015422h(9,h(220.0080853 h(2,h(29-0.0040165h(10,h(21-0.042512 h(3,

14、h(28-0.033998h(11,h(20-0.069989 h(4,h(27-0.056797h(12,h(19-0.033584 h(5,h(26-0.053203h(13,h(180.074002 h(6,h(25-0.020838h(14,h(170.209870 h(7,h(240.019023h(15,h(160.305560 3.2具體實現由M AT LAB函數得到的濾波器系數,用VH D L 編寫了上述性能的濾波器,經Cadence公司的Build2 G ates邏輯綜合工具綜合,結果顯示共使用實例(in2 stance628個,其中寄存器99個,由Booth編碼及部分積加法

15、器陣列組合的模塊32個,第二級流水線用4-2壓縮加法器模塊496個,最終加法器模塊1個。模擬表明本文設計的濾波器結構,在實現32階8位FIR濾波器下的采樣率遠高于20MH z,下面對整個濾波器的各個部分進行時延分析。在流水線結構的第一級,4-2壓縮加法器組成的Wallace加法樹的層數為1層,第二級為5層。對0.5m的C M OS 工藝,第一級的時延由表2給出,總時延為4.4ns,第2級時延為5x1.2+0.4=6.4ns。由此可以得到組合邏輯塊最大時延為6.4ns。表2濾波器的時延分析X,Y驅動Booth編碼部分積產生W allace加法樹寄存器延遲總時延0.7ns 1.2ns0.5ns 1

16、.2ns0.8ns 4.4ns 因此本文可以實現的濾波器的采樣頻率最高可以達到156MH z。如果使用傳統的濾波器結構進行同樣階數設計,則兩者的性能對比如表3所示,最高采樣率僅達10MH z。表3傳統濾波器與本文設計濾波器采樣率比較濾波器結構關鍵路徑時延最高采樣頻率本文結構 6.4ns156MH z傳統結構96ns10MH z3.3單元電路目前的FPG A器件只能進行定點值計算,從M AT LAB計算所得的h(n是浮點值,需要轉換成定點值,即進行系數量化,可以用DSP技術中的Q 值法進行這種轉換。量化系數用二進制的補碼表示。從圖3可以看出,上述改進的FIR濾波器結構可以用3級流水線來實現,本文

17、設計選用Altera公司的APEX20KE系列FPG A器件。該系列器件采用柔性互聯技術(Flexible Interconnect,用大量的快速互聯通道(Fast Track Interconnect進行連續快速的布線,并且布線的延遲是可預測的,因而非常適合這種需要大量布線資源的并行算法的數據型系統。它的IO最高可工作于250MH z的頻率,完全可以滿足高速的要求。4結論本文在設計上應用一種新型結構,并利用FPG A 的高速度、高密度的特點,設計了一個32階的FIR 數字濾波器。同時給出電路的綜合結果及電路門級的時延分析,通過與傳統結構實現的濾波器的性能相比較,結果表明,流水線技術與Wall

18、ace壓縮加法樹的合理使用,使電路的性能及運行速度獲得了極大的提高。可以滿足一些高精度實時處理系統對精度和速度的要求。(下轉第72頁33 圖1入侵檢測的主要工作從以數據為中心的觀點看,入侵檢測本身就是一個數據采集和分析過程,入侵檢測系統(I DS 是從網絡和系統中收集并分析信息,找出入侵和濫用權限行為的檢測系統。而網絡心理學實驗系統本身是從網絡和系統中收集并分析信息,找出心理學研究感興趣的用戶并收集分析其行為的系統。(2都需要收集分散數據進行分析處理的過程入侵檢測系統主要是對分散在各地的主機及網絡數據進行檢測的,而網絡心理學實驗系統是對分布在各處的用戶及其網絡行為進行監測分析的。 (3對本地規

19、則進行不斷更新的過程由于網絡入侵的形式和特征在不斷地創新、改進和發展,所以對入侵進行檢測的入侵檢測系統的規則就不得不進行修改和變化。而對網絡心理學而言,因研究對象的自變量的更改等原因,其規則也是需要不斷修改的。3.2網絡心理學實驗體系的框架對應入侵檢測系統而言,CI DF 的出現是為了解決不同入侵檢測系統間的數據共享和通信問題。同樣的,網絡心理學體系也存在數據共享和通信問題。由此我們也提出網絡心理學體系的框架結構同樣分為4個模塊:即事件產生器(E -Box 、事件分析器(A -Box 、事件數據庫(D -Box 和響應發生器(R -box 。如圖2所示,E -Box 產生網絡心理學實驗分析所需

20、的事件,A -Box 分析上述事件,依據給定的規則判斷是否適合作為研究對象,D -Box 存儲上面兩個模塊所生成的數據,供以后作查詢和進一步的分析,R -box 依據分析模塊產生的結果產生對應的動作。圖2網絡心理學系統框架4結束語給出了基于入侵檢測系統在網絡心理學中的應用,是針對網絡心理學所存在的問題提出的一個新的方法,需要不斷的實驗改進。但是,正是由于基于移動代理的入侵檢測系統的許多優點,才能在越來越多的領域里進行運用。參考文獻:1林絢輝.網絡成癮現象研究概述J .中國臨床心理學雜志,2002,10(1:74-76.2M annix M ,Locy T ,Clark K,et al.The

21、W eb s Dark S ide In the sha 2dows of cyberspace ,an ordinary week is a frightening timeJ .U.S.News &W orld Report ,2000,129(8:36-45.3Jeremy Q.Addicted to dot -com sexJ .Adv ocate (Los Angeles ,Calif ,2003(2:34-40.4Y oung K S.What makes on -line usage stimulating ?P otential expla 2nation for pathological Internet useC.Paper presented at the 105th Annual M eeting of the American Psychological Ass ociation ,August 15,1997.5DE NNING D E.An Intrusion De