CN101162895B - 一种高速fir滤波器实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字信号处理领域的常系数FIR滤波器，具体公开了一种高速FIR滤波器实现装置，1个单比特半加器组、k-2个单比特全加器组、k个高速乘法器、1个进位传递加法器、1个位宽为n+m-1的寄存器、1个位宽为n的寄存器；其中，n为滤波器输入数据位宽，m为滤波器系数位宽。采用本发明所述装置能够克服现有技术中转置式FIR滤波器的工作频率随着输入数据位宽或滤波器系数位宽的增大而下降的缺点，使得转置式FIR滤波器满足了现代数字信号处理对数据处理精度和数据吞吐量的要求。

Description

一种高速FIR滤波器实现装置

技术领域

本发明涉及一种高速FIR滤波器实现装置，尤其涉及数字信号处理领域的常系数FIR滤波器。

背景技术

带有常系数的FIR滤波器是一种LTI数字滤波器。L阶或者长度为L的FIR输出对应于输入时间序列x[n]的关系是由一种有限卷积数量形式给出，具体形式如下：

$y\left[n\right]=x\left[n\right]*f\left[n\right]=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[k\right]f[n-k]---\left(1\right)$

其中从f[0]≠0一直到f[L-1]≠0均是滤波器的L阶的系数，同时也对应于FIR的脉冲响应。对于LTI系统可以更为方便地将式(1)表达成z域内的形式：

Y(z)＝F(z)X(z)       (2)

其中F(z)是FIR的传递函数，其z域内的定义形式如下：

$F\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left[k\right]z^{-k}---\left(3\right)$

图1给出了L阶LTI型FIR滤波器的图解。可以看出，FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成的，传给每个乘法器的操作数就是一个FIR系数，显然也可以称作“抽头权重”。过去也有将FIR滤波器称为“横行滤波器”，就是说它的“抽头延迟线”结构。

式(3)中多项式F(z)的根确定了滤波器的零点。仅有零点存在也就是FIR滤波器经常被称作“全零点滤波器”的原因。

直接FIR模型的一个变种称为转置式FIR滤波器，可以根据图1中的FIR滤波器来构造：

(1)输入输出互换；

(2)颠倒信号流的方向；

(3)用一个差分放大器代替一个加法器，反之亦然。

转置式FIR滤波器如图2所示，通常是指FIR滤波器的实现，该滤波器的优点在于，不再需要给x[n]提供额外的移位寄存器。

图2中的为加法器。一个基本的N比特二进制加法器由N个FA(fulladder，全加器)组成，每个全加器都执行如下布尔方程：

$s_k=a_k\mathrm{XOR}{b}_k\mathrm{XOR}{c}_k---\left(4\right)$

$=a_k\⊕b_k\⊕c_k$

式(4)定义了和的位，进位位按下式计算：

c_k+1＝(a_kANDb_k)OR(a_kANDc_k)OR(b_kANDc_k)

                                                                       (5)

＝(a_k·b_k)+(a_k·c_k)+(b_k·c_k)

最简单的加法器结构称为并行加法器，其实现结构与式(4)、(5)完全对应，如图3所示。由式(5)和图3可以很容易地发现对于这种加法器来讲，最长的延迟来自进位的脉冲通过所有FA。

因此，随着输入数据位宽N的增加，加法器进位链的长度增加，加法器延迟也随之增加，从而导致加法器最高工作频率的下降。目前已经采取了很多技术来缩短这一进位延迟，比如：跳跃进位、先行进位、条件和进位选择加法器。尽管这些技术都能够减少加法器的进位延迟，但是它们都要对N比特的输入数据a和N比特的输入数据b进行相加产生1比特的最终进位c[N]，进位延迟仍然与输入数据位宽N正相关。因此，随着输入数据位宽N的增加，加法器进位延迟也随之增加，从而导致加法器最高工作频率的下降。

现代数字信号处理对数据处理精度和数据吞吐量的要求越来越高。数据处理精度的提高也就是需要处理的数据位宽增大；数据吞吐量提高的最直接途径就是提高数字信号处理模块的工作频率。随着滤波器输入数据位宽或滤波器系数位宽的增大，滤波器输入数据和滤波器系数相乘后产生的乘积的位宽也相应增大，也就是输入到加法器的数据位宽增大，导致加法器进位延迟增加，最终导致转置式FIR滤波器的工作频率下降。显然，现有的转置式FIR滤波器无法满足现代数字信号处理对数据处理精度和数据吞吐量的要求。

发明内容

本发明为了克服现有技术中转置式FIR滤波器的工作频率随着输入数据位宽或滤波器系数位宽的增大而下降的缺点，解决现有技术中存在的转置式FIR滤波器无法满足现代数字信号处理对数据处理精度和数据吞吐量的要求的问题。

在本发明中，设滤波器输入数据位宽为n比特，滤波器系数位宽为m比特；共有k个滤波器系数。则本发明所述的高速FIR滤波器实现装置包括：1个单比特半加器组、k-2个单比特全加器组、k个高速乘法器、1个进位传递加法器、1个位宽为n+m-1的寄存器A、1个位宽为n的寄存器B。

单比特半加器组由n+m-1个单比特半加器(half adder，HA)和2n+2m-3个单比特寄存器组合而成，它的结构如图4所示。单比特半加器组对位宽为n+m-1比特的输入数据a、b按照相应的比特位置逐个比特相加。除了最高位比特外，1个输入数据a的比特和相应比特位置的1个输入数据b的比特相加，产生该比特位置的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器寄存后输出，输入数据a的最高位比特a[n+m-2]与输入数据b的最高位比特b[n+m-2]相加后产生的1比特进位被舍弃，1比特和用单比特寄存器寄存后输出。所有比特位置的单比特和组合成位宽为n+m-1的和矢量s，所有比特位置的单比特进位组合成位宽为n+m-2的进位矢量r；

所述单比特半加器组在k-2级使用，用于对乘法器k-2的乘积以及寄存器A中缓存的乘法器k-1的乘积进行相加，产生和矢量s_k-2、进位矢量r_k-2；

单比特全加器组由n+m-2个单比特全加器、1个单比特半加器以及2n+2m-3个单比特寄存器组合而成，它的结构如图5所示。单比特全加器组对位宽为n+m-1比特的输入数据a、b以及位宽为n+m-2的输入进位c按照相应的比特位置逐个比特相加。输入数据a的最低位比特a[0]与输入数据b的最低位比特b[0]用单比特半加器相加后产生最低位的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器寄存后输出；

除了最低位、最高位比特外，1个输入数据a的比特和相应比特位置的1个输入数据b的比特、1个输入进位c的比特用单比特全加器相加，产生该比特位置的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器寄存后输出：在比特位置1，输入数据a的比特a[1]与输入数据b的比特b[1]、输入进位c的比特c[0]相加后产生比特位置1的1比特和、1比特进位；在比特位置2，输入数据a的比特a[2]与输入数据b的比特b[2]、输入进位c的比特c[1]相加后产生比特位置2的1比特和、1比特进位；其余比特位置依此类推。输入数据a的最高位比特a[n+m-2]与输入数据b的最高位比特b[n+m-2]、输入进位c的最高位比特c[n+m-3]用单比特全加器相加后产生的1比特进位被舍弃，1比特和用单比特寄存器寄存后输出。所有比特位置的单比特和组合成位宽为n+m-1的和矢量s，所有比特位置的单比特进位组合成位宽为n+m-2的进位矢量r；

单比特全加器组用于对本级乘法器的乘积以及上一级产生的和矢量、进位矢量进行相加，产生本级的和矢量、进位矢量；

高速乘法器实现两个数据的乘运算，产生乘积。在本发明所述装置中，高速乘法器用于对滤波器输入数据和滤波器系数进行乘法运算。进位传递加法器实现两个数据的加运算，产生和；

进位传递加法器用于对0级的单比特全加器组产生的和矢量0(s_0)及进位矢量0(r_0)进行加法运算，产生滤波器的最终结果。高速乘法器和进位传递加法器均使用流水线技术实现，流水线级数可根据速度要求增减。这两种模块有大量的实现结构可选用，在经典的数字信号处理教材和专著、论文中可以找到具体的实现结构；

位宽为n+m-1的寄存器A实现对乘法器k-1的乘积缓存一个时钟节拍后输出的功能；

位宽为n的寄存器B实现对进位传递加法器的和进行缓存一个时钟节拍后输出的功能。

整个高速FIR滤波器实现装置如图6所示。滤波器输入数据同时输入到k个乘法器的各一个数据输入端，k个乘法器的另一个数据输入端输入与该乘法器相应的滤波器系数。滤波器输入数据与系数k-1在乘法器k-1中相乘，产生的乘积经寄存器A缓存后输入单比特半加器组的b输入端。滤波器输入数据与系数k-2在乘法器k-2中相乘，产生的乘积输入单比特半加器组的a输入端。

单比特半加器组对a、b输入端输入的数据进行相加，产生k-2级的和矢量k-2(s_k-2)、进位矢量k-2(r_k-2)分别输入到单比特全加器组k-3的b输入端、c输入端。滤波器输入数据与系数k-3在乘法器k-3中相乘，产生的乘积输入单比特全加器组k-3的a输入端；单比特全加器组k-3对a、b、c输入端输入的数据进行相加，产生k-3级的和矢量k-3(s_k-3)、进位矢量k-3(r_k-3)分别输入到单比特全加器组k-4的b输入端、c输入端。

滤波器输入数据与系数k-4在乘法器k-4中相乘，产生的乘积输入单比特全加器组k-4的a输入端；单比特全加器组k-4对a、b、c输入端输入的数据进行相加，产生k-4级的和矢量k-4(s_k-4)、进位矢量k-4(r_k-4)分别输入到单比特全加器组k-5的b输入端、c输入端。其余级的连接关系依此类推。

单比特全加器组0对a、b、c输入端输入的数据进行相加，产生0级的和矢量0(s_0)、进位矢量0(r_0)。位宽为n+m-1比特的和矢量0(s_0)输入到进位传递加法器的一个输入端，位宽为n+m-2比特的进位矢量0(r_0)在最低位用0扩展1比特使位宽变为n+m-1比特后输入到进位传递加法器的另一个输入端。

进位传递加法器对两个输入端输入的数据进行相加，产生滤波器的最终结果输入寄存器B。

在本发明所述装置中，位宽为n比特的寄存器B将n+m-1比特的进位传递加法器的和的高n位缓存，其余低位比特舍弃。

采用本发明所述装置，与现有技术相比，转置式FIR滤波器数据通路上的加法运算部件由多比特二进制加法器改进为单比特全加器(或半加器)组。在单比特全加器(或半加器)组中，低位比特相加产生的进位并不向高位传递，而是保留下来输入到数据通路的下一级。由于低位比特相加产生的进位并不向高位传递，因此也就不存在低位比特至高位比特的进位链；加法运算的延迟固定为通过一个FA(或HA)的时间，与加法输入数据的位宽无关。所以采用本发明所述装置能够克服现有技术中转置式FIR滤波器的工作频率随着输入数据位宽或滤波器系数位宽的增大而下降的缺点，使得转置式FIR滤波器满足了现代数字信号处理对数据处理精度和数据吞吐量的要求。

附图说明

图1是直接形式的FIR滤波器；

图2是转置结构的FIR滤波器；

图3是并行加法器；

图4是单比特半加器组；

图5是单比特全加器组；

图6是高速FIR滤波器实现装置。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

以数字信号处理中常见的用于进行反sinc函数滤波的滤波器为例，滤波器输入数据用二进制补码表示，位宽为n＝20比特；滤波器系数用二进制补码表示，位宽为m＝16比特，共有k＝21个滤波器系数。

则本发明所述的高速FIR滤波器实现装置由以下几部分组成：1个单比特半加器组、19个单比特全加器组、21个高速乘法器、1个进位传递加法器、1个位宽为35的寄存器A、1个位宽为20的寄存器B。

根据图4的描述，单比特半加器组由35个单比特半加器和69个单比特寄存器组合而成。每个时钟节拍分别输入一个数据到单比特半加器组的a、b输入端。单比特半加器组对位宽为35比特的输入数据a、b按照相应的比特位置逐个比特相加。除了最高位比特外，1个输入数据a的比特和相应比特位置的1个输入数据b的比特相加，产生该比特位置的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器缓存一个时钟节拍后输出。输入数据a的最高位比特a[34]与输入数据b的最高位比特b[34]相加后产生的1比特进位被舍弃，1比特和用单比特寄存器缓存一个时钟节拍后输出。所有比特位置的单比特和组合成位宽为35的和矢量s，所有比特位置的单比特进位组合成位宽为34的进位矢量r。

在这个实施例子中，单比特半加器组在本发明所述装置的19级使用，用于对乘法器19的乘积以及寄存器A中缓存的乘法器20的乘积进行相加，产生和矢量s_19、进位矢量r_19。

根据图5的描述，单比特全加器组由34个单比特全加器、1个单比特半加器以及69个单比特寄存器组合而成。每个时钟节拍分别输入一个数据到单比特全加器组的a、b、c输入端。单比特全加器组对位宽为35比特的输入数据a、b以及位宽为34的输入进位c按照相应的比特位置逐个比特相加。

输入数据a的最低位比特a[0]与输入数据b的最低位比特b[0]用单比特半加器相加后产生最低位的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器缓存一个时钟节拍后输出。除了最低位、最高位比特外，1个输入数据a的比特和相应比特位置的1个输入数据b的比特、1个输入进位c的比特用单比特全加器相加，产生该比特位置的1比特和、1比特进位，分别用单比特寄存器缓存一个时钟节拍后输出：在比特位置1，输入数据a的比特a[1]与输入数据b的比特b[1]、输入进位c的比特c[0]相加后产生比特位置1的1比特和、1比特进位；在比特位置2，输入数据a的比特a[2]与输入数据b的比特b[2]、输入进位c的比特c[1]相加后产生比特位置2的1比特和、1比特进位；其余比特位置依此类推。输入数据a的最高位比特a[34]与输入数据b的最高位比特b[34]、输入进位c的最高位比特c[33]用单比特全加器相加后产生的1比特进位被舍弃，1比特和用单比特寄存器缓存一个时钟节拍后输出。所有比特位置的单比特和组合成位宽为35的和矢量s，所有比特位置的单比特进位组合成位宽为34的进位矢量r。

在这个实施例子中，单比特全加器组在本发明所述装置中的18级、17级、......、0级使用，用于对本级乘法器的乘积以及上一级产生的和矢量、进位矢量进行相加，产生本级的和矢量、进位矢量。

根据图6可以得出整个高速FIR滤波器实现装置的工作过程。

每个时钟输入一个滤波器输入数据，输入数据同时输入到21个乘法器的各一个数据输入端，21个乘法器的另一个数据输入端输入与该乘法器相应的滤波器系数。滤波器输入数据与系数20在乘法器20中相乘，产生的乘积经寄存器A缓存一拍后输入单比特半加器组的b输入端。滤波器输入数据与系数19在乘法器19中相乘，产生的乘积输入单比特半加器组的a输入端。单比特半加器组对a、b输入端输入的数据进行相加并经寄存器缓存一拍后输出，由此产生了19级的和矢量19(s_19)、进位矢量19(r_19)分别输入到单比特全加器组18的b输入端、c输入端。滤波器输入数据与系数18在乘法器18中相乘，产生的乘积输入单比特全加器组18的a输入端；单比特全加器组18对a、b、c输入端输入的数据进行相加并经寄存器缓存一拍后输出，产生了18级的和矢量18(s_18)、进位矢量18(r_18)分别输入到单比特全加器组17的b输入端、c输入端。滤波器输入数据与系数17在乘法器17中相乘，产生的乘积输入单比特全加器组17的a输入端；单比特全加器组17对a、b、c输入端输入的数据进行相加并经寄存器缓存一拍后输出，产生了17级的和矢量17(s_17)、进位矢量17(r_17)分别输入到单比特全加器组16的b输入端、c输入端。其余级的连接关系依此类推。

单比特全加器组0对a、b、c输入端输入的数据进行相加并经寄存器缓存一拍后输出，产生了0级的和矢量0(s_0)、进位矢量0(r_0)。位宽为35比特的和矢量0(s_0)输入到进位传递加法器的一个输入端，位宽为34比特的进位矢量0(r_0)在最低位用0扩展1比特使位宽变为35比特后输入到进位传递加法器的另一个输入端。

进位传递加法器对两个输入端输入的数据进行相加，产生滤波器的最终结果输入寄存器B。位宽为20比特的寄存器B将35比特的进位传递加法器的和的高20位缓存一个时钟节拍后输出，其余低位比特舍弃。

Claims (2)

1.一种高速FIR滤波器实现装置，设定滤波器输入数据位宽为n，滤波器系数位宽为m，滤波器系数个数为k，其特征在于，包括：

一单比特半加器组，一进位传递加法器，单比特全加器组，高速乘法器，寄存器，

其中，单比特全加器组的个数为k-2；高速乘法器的个数为k；所述寄存器，包括一位宽为n+m-1的寄存器A和一位宽为n的寄存器B；

所述单比特半加器组，包括n+m-1个单比特半加器和2n+2m-3个单比特寄存器，在k-2级使用，用于对位宽为n+m-1比特的乘法器k-2的乘积以及位宽为n+m-1的寄存器A中缓存的乘法器k-1的乘积按照相应的比特位置逐个比特相加，产生和矢量和进位矢量，分别用单比特寄存器寄存后输出，产生的1比特进位被舍弃；

所述单比特全加器组，包括n+m-2个单比特全加器、1个单比特半加器以及2n+2m-3个单比特寄存器，用于对位宽为n+m-1比特的本级乘法器的乘积和上一级产生的和矢量以及位宽为n+m-2进位矢量进行相加，产生本级的和矢量和进位矢量；位宽为n+m-1比特的本级乘法器的乘积和上一级产生的和矢量的最低位比特用单比特半加器相加后产生最低位的1比特和与1比特进位，分别用单比特寄存器寄存后输出；1个位宽为n+m-1比特的本级乘法器的乘积的比特和相应比特位置的1个位宽为n+m-1比特的上一级产生的和矢量的比特与1个输入进位的比特用单比特全加器相加，产生该比特位置的1比特和与1比特进位，分别用单比特寄存器寄存后输出；1个位宽为n+m-1比特的本级乘法器的乘积的最高位比特和相应比特位置的1个位宽为n+m-1比特的上一级产生的和矢量的最高位比特以及输入进位的最高位比特用单比特全加器相加后产生的1比特进位被舍弃，1比特和用单比特寄存器寄存后输出；

所述高速乘法器，用于对滤波器输入数据和滤波器系数进行乘法运算；

所述进位传递加法器，用于对0级的单比特全加器组产生的和矢量及进位矢量进行加法运算，产生滤波器的最终结果；

所述位宽为n+m-1的寄存器，用于对乘法器k-1的乘积进行缓存一个时钟节拍后输出；

所述位宽为n的寄存器，用于将n+m-1比特的进位传递加法器的和的高n位进行缓存一个时钟节拍后输出。

2.如权利要求1所述的高速FIR滤波器实现装置，其特征在于，

所述位宽为n的寄存器，将n+m-1比特的进位传递加法器的和的高n位进行缓存，其余低位比特舍弃。

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