FPGA_ASIC-用中檔FPGA實(shí)現(xiàn)多相濾波器

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1、http://www.elecfans.com電子發(fā)燒友http://bbs.elecfans.com電子技術(shù)論壇用中檔FPGA實(shí)現(xiàn)多相濾波器萊迪思半導(dǎo)體公司RonWarner來源：EDN摘要：多相技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)濾波器，擁有與傳統(tǒng)FIR濾波器可比的結(jié)果，而且使用了較少的邏輯、需要較少的計(jì)算資源、更低的功耗，并減少了可能的飽和/溢出?？捎萌缃裥滦偷男∫?guī)模、中檔的FPGA，如LatticeECP3來實(shí)現(xiàn)這些濾波器。關(guān)鍵詞：FPGA，濾波器，F(xiàn)IR引言在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，到處都可以看到數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的應(yīng)用，從MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)到手機(jī)。

2、DSP設(shè)計(jì)人員的工具箱的支柱之一是有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器。FIR濾波器越長(zhǎng)（有大量的抽頭），濾波器的響應(yīng)越好。然而這里有折衷的情況，由于大量的抽頭增加了對(duì)邏輯的需求、增加了計(jì)算的復(fù)雜性，增加了功耗，以及可能引起飽和/溢出。多相技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)濾波器，擁有與傳統(tǒng)FIR濾波器可比的結(jié)果，而且使用了較少的邏輯、需要較少的計(jì)算資源、更低的功耗，并減少了可能的飽和/溢出?？捎萌缃裥滦偷男∫?guī)模、中檔的FPGA，如LatticeECP3來實(shí)現(xiàn)這些濾波器?；靖拍钸M(jìn)入DSP世界可能會(huì)有些令人生畏，因此，讓我們首先介紹一些簡(jiǎn)單的概念。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，如音

3、頻，視頻和無線領(lǐng)域，形成信號(hào)的結(jié)果是與采樣率相關(guān)的。舉例來說，以48kHz（即每秒48000個(gè)樣本）對(duì)專業(yè)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣。相比之下，消費(fèi)者的CD播放機(jī)則使用44.1kHz的采樣率。多速率系統(tǒng)多速率系統(tǒng)使用多個(gè)采樣速率。在某些情況下，運(yùn)行于某個(gè)速率的系統(tǒng)的一部分需要一個(gè)原來以另外某個(gè)速率采樣的信號(hào)（轉(zhuǎn)換專業(yè)音頻到消費(fèi)者的CD音頻就是一個(gè)例子）。在這種情況下，原始信號(hào)的速率必須根據(jù)需要增加或減少?；蛘哚槍?duì)特定的用途，也可能以比實(shí)際需要更高的速率對(duì)原來的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣。因此，降低采樣率，然后運(yùn)行所得到的數(shù)據(jù)就可以大幅度降低數(shù)據(jù)吞吐量的要求，降低

4、對(duì)存儲(chǔ)器的要求，提高處理效率并降低功耗。向下采樣和抽取http://www.elecfans.com電子發(fā)燒友http://bbs.elecfans.com電子技術(shù)論壇讓我們首先考慮降低采樣率的問題。假設(shè)我們有一個(gè)信號(hào)，原來以我們稱之為fHz的某一頻率進(jìn)行采樣，如如圖1所示。圖1用fHz采樣率對(duì)原始信號(hào)采樣現(xiàn)在假設(shè)我們要降低采樣率至原來頻率的1/4。達(dá)到此目的一個(gè)方法來就是簡(jiǎn)單地扔掉每四個(gè)原始采樣中的三個(gè)，如圖2所示。圖2用1/4fHz采樣率得到新的信號(hào)在數(shù)字信號(hào)處理中，“混疊現(xiàn)象”是指采樣時(shí)造成不同的連續(xù)信號(hào)彼此難以區(qū)分的情況，它們互相“

5、混疊”?；殳B現(xiàn)象也稱為失真，或贗品，即源于采樣重構(gòu)的信號(hào)不同于原來的連續(xù)信號(hào)。如果我們丟棄了如上文所討論的一些樣本，由此得到的信號(hào)會(huì)含有混疊現(xiàn)象的贗品。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，考慮一個(gè)音頻信號(hào)，可能含有人耳聽不見的高頻分量的樂曲。如果我們以過低的速率對(duì)這個(gè)信號(hào)采樣（當(dāng)我們丟棄一些樣本時(shí)，實(shí)際上是我們正在做的事情），然后用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器重構(gòu)這個(gè)樂曲，我們可以聽到欠采樣高頻分量的低頻混疊。為了避免這種情況，常見的做法是在丟棄不想要的樣本之前，用低通濾波器去除不要的高頻，如圖3所示。http://www.elecfans.com電子發(fā)燒友http:/

6、/bbs.elecfans.com電子技術(shù)論壇圖3在丟棄任何樣本前對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行濾波一般而言，“向下采樣”只是指丟棄樣本的處理而不執(zhí)行濾波的操作。相比之下，“抽取”指的是降低采樣率的整個(gè)過程，即執(zhí)行濾波操作，然后丟棄樣本。實(shí)際上，“向下采樣”、“下變頻”和“抽取”往往交替使用?！俺槿∫蜃印笔侵篙斎氩蓸勇逝c輸出采樣率之比。通常用字母M來表示。在上面的例子中，輸入速率是輸出速率的4倍，所以M=4。向上采樣和內(nèi)插現(xiàn)在考慮的情況是，我們希望提高采樣率。這樣做的原因是為了使系統(tǒng)的另一部分與信號(hào)運(yùn)行在更高的采樣速率。假設(shè)我們從一個(gè)信號(hào)開始，即原來以我們

7、稱為fHz的某個(gè)頻率進(jìn)行采樣的信號(hào)，如圖4所示。圖4采樣率為fHz的原始信號(hào)現(xiàn)在假設(shè)我們要增加采樣率為原來頻率的4倍。我們開始在原始樣本之間插入零值樣本，以提高采樣率，如圖5所示。圖5用零值樣本對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)充但現(xiàn)在有一個(gè)問題，因?yàn)樾碌牧阒禈悠诽砑恿瞬灰念l譜分量至信號(hào)。為了解決此問題，我們對(duì)這個(gè)新的信號(hào)進(jìn)行了濾波，除去了不想要的分量，產(chǎn)生了更合適的采樣值，如圖6所示。http://www.elecfans.com電子發(fā)燒友http://bbs.elecfans.com電子技術(shù)論壇圖6采樣率為4倍fHz的最終信號(hào)從技術(shù)上講，“向上采樣”只

8、是指插入零值樣本的過程。相比之下，“內(nèi)插”指的是增加采樣率的整個(gè)過程，即插入零值樣本，然后進(jìn)行濾波操作1。實(shí)際上，“向上采樣”、“向上轉(zhuǎn)換”和“內(nèi)插”往往交替使用?！皟?nèi)插因子”指