作者：國(guó)防科技大學(xué)atr實(shí)驗(yàn)室 佟力永， 肖山竹

    摘要：介紹xc2v1000型現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)的主要特性和fir抽取濾波器的工作原理，重點(diǎn)闡述用xc2v1000實(shí)現(xiàn)fir抽取濾波器的方法，并給出仿真波形和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：fir抽取濾波器；流水線(xiàn)操作；xc2v1000；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

    1 引言

    抽取濾波器廣泛應(yīng)用在數(shù)字接收領(lǐng)域，是數(shù)字下變頻器的核心部分。目前，抽取濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有3種：?jiǎn)纹ㄓ脭?shù)字濾波器集成電路、dsp和可編程邏輯器件。使用單片通用數(shù)字濾波器很方便，但字長(zhǎng)和階數(shù)的規(guī)格較少，不能完全滿(mǎn)足實(shí)際需要。使用dsp雖然簡(jiǎn)單，但程序要順序執(zhí)行，執(zhí)行速度必然慢�，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線(xiàn)資源，特別適用于數(shù)字信號(hào)處理，但長(zhǎng)期以來(lái)，用fpga實(shí)現(xiàn)抽取濾波器比較復(fù)雜，其原因主要是fpga中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)在，fpga集成了乘法器，使fpga在數(shù)字信號(hào)處理方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文介紹用xilinx公司的xc2v1000型fpga實(shí)現(xiàn)fir抽取濾波器的設(shè)計(jì)方法。

    2 xc2v1000簡(jiǎn)介

    virtex-ⅱ系列是xilinx公司近幾年研發(fā)的具有高性能、高速度和低功耗特點(diǎn)的新一代fpga，一經(jīng)問(wèn)世就備受界內(nèi)人士的青睞。該系列fpga基于ip核和專(zhuān)用模塊設(shè)計(jì)，能夠?yàn)殡娦�、無(wú)線(xiàn)電、網(wǎng)絡(luò)、視頻和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供完整的解決方案。xc2v1000是virtex-ⅱ家族的一員，具有如下主要特點(diǎn)：

    ●100萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門(mén)；

    ●40×32個(gè)可配置邏輯單元(5120個(gè)slice)；

    ●40個(gè)18×18 bits乘法器，1個(gè)工作時(shí)鐘內(nèi)即可完成乘法運(yùn)算；

    ●720kbits ram，可靈活配置(單口、雙口、有使能或無(wú)使能等)；

    ●8個(gè)dcm(digital clock manager)模塊；

    ●328個(gè)用戶(hù)i/o。

    此外，xilinx公司還提供了功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)(ise)，開(kāi)發(fā)者可通過(guò)該平臺(tái)完成全部設(shè)計(jì)。

    3 抽取濾波器的工作原理

    抽取濾波器的工作原理是在濾波過(guò)程中實(shí)現(xiàn)抽取。對(duì)于抽取率為n的抽取濾波器而言，不是每進(jìn)入1個(gè)新數(shù)據(jù)就完成1次濾波運(yùn)算，然后再抽取，而是當(dāng)進(jìn)來(lái)n個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)濾波器才完成1次濾波運(yùn)算，輸出1次濾波結(jié)果。抽取濾波器的結(jié)果和先濾波后抽取的結(jié)果是一致的，只是對(duì)于同樣的數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波運(yùn)算的次數(shù)大大減少。在數(shù)字系統(tǒng)中采用抽取濾波器的最大優(yōu)點(diǎn)是增加了每次濾波的可處理時(shí)間，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)高速輸入數(shù)據(jù)的目的。下面以抽取率為2的具有線(xiàn)性相位的3階fir抽取濾波器為例介紹抽取濾波器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

    線(xiàn)性相位的fir濾波器的系數(shù)具有某種對(duì)稱(chēng)的性質(zhì)[1]，3階ⅱ類(lèi)fir線(xiàn)性相位濾波器在數(shù)學(xué)上可以表示為

    其中，h(0)=h(3),h(1)=h(2)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，具有4個(gè)系數(shù)的3階ⅱ類(lèi)fir線(xiàn)性相位濾波器只需2次加法、2次乘法和2次累加就可以完成1次濾波運(yùn)算。如果ipga工作時(shí)鐘為80mhz，輸入x(n)的數(shù)據(jù)率也為80mhz，那么經(jīng)2倍抽取后輸出y(n)為40mhz。也就是說(shuō)，抽取濾波器每完成1次濾波運(yùn)算，需要2個(gè)工作時(shí)鐘。如果加法器、乘法器和累加器在單個(gè)時(shí)鐘內(nèi)就能完成1次功能運(yùn)算，那么只需1個(gè)加法器、1個(gè)乘法器和1個(gè)累加器采用流水線(xiàn)操作在2個(gè)工作時(shí)鐘內(nèi)就可以完成2次加法、2次乘法和2次累加運(yùn)算，就可以完成一次抽取濾波。

    4 具體實(shí)現(xiàn)

    4．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    基于上述抽取濾波器的工作原理，筆者用xc2v1000實(shí)現(xiàn)了這個(gè)抽取率為2、具有線(xiàn)性相位的3階fir抽取濾波器，利用原理圖和vhdl硬件描述語(yǔ)言共同完成源文件設(shè)