專利名稱：一種有限脈沖響應(yīng)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子行業(yè)數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于乘累加器的有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response，簡稱 FIR)濾波器。
背景技術(shù)：
HR濾波器在數(shù)字通信系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，業(yè)界也一直致力于改善其濾波性能。 該濾波器可以用來執(zhí)行多種工作，比如匹配濾波、噪聲隔絕、信道等化等。
一般情況下，F(xiàn)IR濾波器算法可以表示為
γ (k) =1! 1 ! -!), k=0，1，2，……，Nx_i (公式 1)
其中，H向量為濾波系數(shù)，其數(shù)目為K個，包含元素為H(O) H(K-I) ；X向量為待濾波的數(shù)據(jù)，其數(shù)目為Nx個，包含待濾波數(shù)據(jù)元素為X(0) X(Nx-I),算法中使用到的X向量索引小于0的部分，均用零代替；Y向量為濾波輸出，其數(shù)目為Nx個，包含元素為Y (0) Y(Nx-I)。現(xiàn)有技術(shù)中，有多種結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法被提出來，以加速和簡化FIR濾波器算法。
中國專利CN 1525642A公開了一種可重新配置的有限脈沖響應(yīng)濾波器，該濾波器結(jié)構(gòu)針對固定應(yīng)用場合有較高的效率，其構(gòu)造如圖1所示。參照圖1，該濾波器的工作過程如下根據(jù)應(yīng)用場合固定濾波系數(shù)個數(shù)K，而后根據(jù)該K個濾波器系數(shù)設(shè)計K個數(shù)字處理單元，K個濾波系數(shù)預(yù)先存儲在數(shù)字處理單元中，當(dāng)待濾波數(shù)據(jù)從圖1中左邊輸入時，每次可以完成K個待濾波數(shù)據(jù)和K個濾波系數(shù)的乘法運算，然后再橫向累加，得到1個濾波結(jié)果， 從圖ι所示FIR濾波器的右邊輸出。
在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，申請人意識到現(xiàn)有技術(shù)HR濾波器存在如下技術(shù)缺陷
1)當(dāng)濾波系數(shù)K數(shù)目較大時，現(xiàn)有技術(shù)HR濾波器一般是將各個濾波系數(shù)同待濾波數(shù)據(jù)相乘，得到子結(jié)果，這個過程是并行完成，但是之后將各個子結(jié)果相加得到濾波結(jié)果時，該累加所需時間直接取決于濾波系數(shù)個數(shù)，在濾波系數(shù)數(shù)目較大的時候，濾波結(jié)果輸出的關(guān)鍵路徑很長，嚴(yán)重影響其工作效率；
2)數(shù)字處理單元個數(shù)受限于濾波系數(shù)個數(shù)，必須確定了應(yīng)用場合中濾波系數(shù)的個數(shù)后，才能固定數(shù)字處理單元的個數(shù)，缺乏應(yīng)用靈活性。即當(dāng)濾波器系統(tǒng)固定后，該濾波器系統(tǒng)僅適用于一種應(yīng)用場合，該場合所需濾波系數(shù)個數(shù)固定；
3)在一維濾波應(yīng)用中，待濾波數(shù)據(jù)存在著局部性原理，加載重復(fù)的數(shù)據(jù)使得待濾波數(shù)據(jù)的使用效率很低，另外重復(fù)的訪問存儲器一方面會有較大的時間開銷，另一方面會增大系統(tǒng)的功耗。發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種有限脈沖響應(yīng)FIR濾波器，以提高FIR濾波器的工作效率。
(二)技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種有限脈沖響應(yīng)FIR濾波器。該FIR濾波器包括濾波系數(shù)提供模塊，用于預(yù)存K個濾波系數(shù)；在第η個運算周期，接收到讀使能信號后， 提供1個濾波系數(shù)H(i)；待濾波數(shù)據(jù)提供模塊，用于預(yù)存Nx個待濾波數(shù)據(jù)；在第η個運算周期，接收到讀使能信號后，提供1個待濾波數(shù)據(jù)組，該待濾波數(shù)據(jù)組包括BS個待濾波數(shù)據(jù) X(nBS-i),X(nBS-i+l),……，X[ (n+l)BS-i_l]，當(dāng)待濾波數(shù)據(jù)的向量索引小于0時，該待濾波數(shù)據(jù)以0代替；乘法器，包括并行的BS個乘法單元；每一個乘法單元均與濾波系數(shù)提供模塊和待濾波數(shù)據(jù)提供模塊相連接，用于實現(xiàn)濾波系數(shù)H(i)與待濾波數(shù)據(jù)組中的1個待濾波數(shù)據(jù)的乘積運算；累加器，其控制端與比較器相連接，包括并行的BS個累加單元；每一累加單元與對應(yīng)的乘法單元和累加寄存器中寄存單元相連接，用于實現(xiàn)乘法單元的當(dāng)前乘積結(jié)果與寄存單元的中間數(shù)據(jù)的累加運算；累加器還用于當(dāng)接收到比較器的輸出有效信號時，將BS個累加結(jié)果作為第η組濾波結(jié)果輸出；否則，將BS個累加結(jié)果作為中間數(shù)據(jù)分別輸出至累加寄存器中對應(yīng)的寄存單元；累加寄存器，包括BS個寄存單元；每一寄存單元的輸入端和輸出端分別與相應(yīng)累加單元的輸出端和輸入端相連接，用于存放累加運算的中間數(shù)據(jù)；比較器，用于進(jìn)行運算序號與濾波系數(shù)個數(shù)K的比較運算，當(dāng)運算序號=K-I時，向累加器發(fā)送輸出有效信號，隨后執(zhí)行第η+1個運算周期，運算序號為在第η個運算周期中，已經(jīng)完成的乘積運算或累加運算的次數(shù)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明HR濾波器具有以下有益效果1)并行計算的高效率，本發(fā)明采用BS個并行的乘法單元，可以同時進(jìn)行BS個乘法運算，同時將BS個乘法結(jié)果同相應(yīng)的寄存器中值并行進(jìn)行BS個加法運算，從而大大提高了運算效率，節(jié)約運算時間，并且所有的控制信號均是數(shù)字信號，避免了采用延遲單元等模擬單元所帶來的運算不準(zhǔn)確性，提高了運算精度；2)可重構(gòu)性，本發(fā)明在緩存空間尺寸范圍內(nèi)的濾波系數(shù)個數(shù)情況下，均取得高效的濾波效果，即使當(dāng)濾波系數(shù)的個數(shù)發(fā)生變化時，只要其在緩存空間的范圍之內(nèi)，就不用重新更改相應(yīng)硬件，從而實現(xiàn)了相當(dāng)好的重構(gòu)性；3)待濾波數(shù)據(jù)高利用率，本發(fā)明通過在整個算法層面分析，使用待濾波數(shù)據(jù)緩存器和濾波系數(shù)緩存器結(jié)構(gòu)，充分利用了待濾波數(shù)據(jù)局部性原理，沒有重復(fù)加載待濾波數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，并且每訪問一次存儲器，可得出BS個結(jié)果，減少存儲器訪問次數(shù)，從而達(dá)到了“一次讀取，多次計算”的效果，進(jìn)而降低了整個設(shè)計的功耗。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例FIR濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例FIR濾波器中濾波系數(shù)緩存器的示意圖；圖4為本發(fā)明實施例FIR濾波器中待濾波數(shù)據(jù)緩存器的示意圖；圖fe為本發(fā)明實施例FIR濾波器在BS = 4時待濾波數(shù)據(jù)緩存器存儲空間為4BS 下編碼和初始化后的示意圖；圖恥為如圖如所示待濾波數(shù)據(jù)緩存器在移位后的示意圖；圖6為本發(fā)明實施例FIR濾波器有效偏移地址產(chǎn)生圖的示意圖7a為本發(fā)明實施例FIR濾波器在BS = 4時待濾波數(shù)據(jù)緩存器存儲空間為5BS 下編碼和初始化后的示意圖7b為如圖6a所示待濾波數(shù)據(jù)緩存器在移位后的示意圖為本發(fā)明實施例FIR濾波器中濾波系數(shù)在存儲器中存儲的示意圖8b為本發(fā)明實施例HR濾波器中濾波系數(shù)在濾波系數(shù)緩存器中存儲的示意圖9a為本發(fā)明實施例FIR濾波器中待濾波數(shù)據(jù)在存儲器中存儲的示意圖9b為本發(fā)明實施例FIR濾波器中待濾波數(shù)據(jù)在待濾波數(shù)據(jù)緩存器中存儲的示意圖IOa為本發(fā)明實施例FIR濾波器進(jìn)行第1次乘累加運算的示意圖IOb為本發(fā)明實施例FIR濾波器進(jìn)行第2次乘累加運算的示意圖IOc為本發(fā)明實施例FIR濾波器進(jìn)行第18次乘累加運算的示意圖IlA為當(dāng)K’ = BS+3時本發(fā)明實施例待濾波數(shù)據(jù)緩存器初始化后的數(shù)據(jù)存儲的示意圖IlB為圖IlA所述待濾波數(shù)據(jù)緩存器移位后的數(shù)據(jù)存儲的示意圖12A為當(dāng)K’ = 3BS+2時本發(fā)明實施例待濾波數(shù)據(jù)緩存器初始化后的數(shù)據(jù)存儲的示意圖12B為圖12A所述待濾波數(shù)據(jù)緩存器移位后的數(shù)據(jù)存儲的示意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于所述值。
申請人發(fā)現(xiàn)，可以將公式1中HR濾波器的算法展開為如下的結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種有限脈沖響應(yīng)FIR濾波器，其特征在于，包括濾波系數(shù)提供模塊，用于預(yù)存K個濾波系數(shù)；在第η個運算周期，接收到讀使能信號后， 提供1個濾波系數(shù)H (i)；待濾波數(shù)據(jù)提供模塊，用于預(yù)存Nx個待濾波數(shù)據(jù)；在第η個運算周期，接收到讀使能信號后，提供1個待濾波數(shù)據(jù)組，該待濾波數(shù)據(jù)組包括BS個待濾波數(shù)據(jù)X(nBS-i)， X(nBS-i+l),……，X[(n+l)BS-i-l]，當(dāng)待濾波數(shù)據(jù)的向量索引小于0時，該待濾波數(shù)據(jù)以 0代替；乘法器，包括并行的BS個乘法單元；每一個乘法單元均與所述濾波系數(shù)提供模塊和所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊相連接，用于實現(xiàn)所述待濾波數(shù)據(jù)組中對應(yīng)的1個待濾波數(shù)據(jù)與所述濾波系數(shù)H (i)的乘積運算；累加器，其控制端與比較器相連接，包括并行的BS個累加單元；每一累加單元與對應(yīng)的乘法單元和累加寄存器中寄存單元相連接，用于實現(xiàn)所述乘法單元的當(dāng)前乘積結(jié)果與所述寄存單元的中間數(shù)據(jù)的累加運算；所述累加器還用于當(dāng)接收到所述比較器的輸出有效信號時，將BS個累加結(jié)果作為第η組濾波結(jié)果輸出；否則，將所述BS個累加結(jié)果作為中間數(shù)據(jù)分別輸出至累加寄存器中對應(yīng)的寄存單元；所述累加寄存器，包括BS個寄存單元；每一寄存單元的輸入端和輸出端分別與相應(yīng)累加單元的輸出端和輸入端相連接，用于存放所述累加運算的中間數(shù)據(jù)；所述比較器，用于進(jìn)行運算序號與濾波系數(shù)個數(shù)K的比較運算，當(dāng)運算序號=K-I時， 向所述累加器發(fā)送輸出有效信號，隨后執(zhí)行第η+1個運算周期，所述運算序號為在第η個運算周期中，已經(jīng)完成的乘積運算或累加運算的次數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HR濾波器，其特征在于，所述η依次取0、1、2、3，……， ceil(Nx/BS)-l, ceil為向鄰近較大整數(shù)取值的符號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的HR濾波器，其特征在于，所述i依次取Κ-1、Κ-2、……、1、 O0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的FIR濾波器，其特征在于，在每個運算周期中，所述運算序號從0開始，每次運算增加1，所述乘法器和累加器的其中之一，還用于向所述比較器提供所述運算序號；和/或所述比較器、乘法器和累加器的其中之一，還用于當(dāng)運算序號< K-I時，向所述濾波系數(shù)提供模塊和所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊發(fā)送讀使能信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的HR濾波器，其特征在于，所述濾波系數(shù)提供模塊包括 第二存儲器，用于存儲所述K個濾波系數(shù)；第二緩存器實體，包含K’個存儲單元，K' ^K;第二初始化邏輯單元，與所述第二存儲器和第二緩存器實體相連接，用于將所述K個濾波系數(shù)，Η[Κ-1]、Η[Κ-2]、……，H[l]及酬從所述第二存儲器自前至后依次緩存入所述第二緩存器實體的前K個存儲單元；第二讀邏輯單元，用于收到讀使能信號后，以K為周期，按自前至后的順序依次讀取所述第二緩存器實體存儲單元中的一個濾波系數(shù)，并將該濾波系數(shù)發(fā)送至所述乘法器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的HR濾波器，其特征在于，所述K，=2BS+1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的HR濾波器，其特征在于，所述比較器，還用于當(dāng)運算序號=K-I時，向所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊發(fā)送移位信號；所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊包括第一存儲器，用于依次存儲Nx個待濾波數(shù)據(jù)；第一緩存器實體，包含至少K’ -1+2BS個存儲單元，該K’ -1+2BS個存儲單元用于緩存待濾波數(shù)據(jù)；第一初始化邏輯單元，用于在第0個運算周期，對所述第一緩存器實體進(jìn)行初始化，將地址為0 K，-2的存儲單元初始化為0 ；將待濾波數(shù)據(jù)X(O) ,X(I)、X⑵，……,X(2BS-1) 從所述第一存儲器依次緩存入所述第一緩存器實體的地址為K’ -1 K’ -2+2BS的存儲單元；第一讀邏輯單元，其控制端與所述比較器相連接，用于收到所述讀使能信號后，以有效偏移地址為起點，按照自前至后的順序依次讀取所述第一緩存器實體中BS個存儲單元的待濾波數(shù)據(jù)，并將該BS個待濾波數(shù)據(jù)發(fā)送至所述乘法器；第一移位邏輯單元，其控制端與所述比較器相連接，用于接收到所述比較器的移位信號后，將所述第一緩存器實體中地址為BS至K’-2+2BS的存儲單元中的待濾波數(shù)據(jù)前移BS 個位置；從所述第一存儲器中依次讀取BS個待濾波數(shù)據(jù)依次緩存入所述第一緩存器實體中地址為K，-1+BS K，-2+2BS的存儲單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HR濾波器，其特征在于，所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊中第一緩存器實體包括4BS或5BS個存儲單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HR濾波器，其特征在于，所述K’= 2BS+1時，所述有效偏移地址=K’ -K+運算序號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的HR濾波器，其特征在于，所述濾波系數(shù)提供模塊中的第一存儲器與所述待濾波數(shù)據(jù)提供模塊中的第二存儲器為同一存儲器；該存儲器還用于存儲所述第η組濾波結(jié)果。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的HR濾波器，其特征在于，所述濾波結(jié)果、濾波系數(shù)和待濾波數(shù)據(jù)的關(guān)系如下Y(O) =H (0) X (0) +H(I)X (-1) +H (2) X (-2) +—+H (K-I) X (-K+1)Y(I) = H (O)X(I)+H (I)X(O)+H (2) X (-1)+...+H (K-I) X (-Κ+2)Y(2) =H (0) X (2) +H(I)X(I) +H (2) X (0) +—+H (K-I) X (-Κ+3)Y(BS-I) = H(O)X (BS-I) +H(I)X (BS-2) +H (2) X (BS-3) +—+H (K-I) X (BS-K)Y(BS) = H(O)X (BS) +H(I)X (BS-I) +H (2) X (BS-2) +—+H (K-I) X (BS-K+1)Y(BS+1) = H(O)X (BS+1) +H(I)X (BS) +H (2) X (BS-I) +—+H (K-I) X (BS-K+2)Y(BS+2) = H(O)X (BS+2) +H(I)X (BS+1) +H (2) X (BS) +—+H (K-I) X (BS-K+3)Y(2BS-1) = H(O)X (2BS-1) +H(I)X (2BS-2) +H (2) X (2BS-3) +—+H (K-I) X (2BS-K)Y(Nx-I) = !1(0)父(隊-1)+!1(1)父(隊-2)+對2)父(隊-2)+丨+!1(1^-1)父(1-10其中，所述Η(0)、Η(1)、Η(2)、……、H(K-I)為K個待濾波系數(shù)；所述 X (-K+1)、X (-Κ+2)、X (-Κ+3)、X (BS-K)、......、X (0)、X (1)、X (2)、......、X (BS-I)、X (BS)、X (BS+1)、X (BS+2)、……、X (2BS-1)、X (Nx-I)為 Nx 個待濾波數(shù)據(jù)；所述Y(O)、Y(I)、Y⑵、……、Y(BS-I)為第0組濾波結(jié)果；Y(BS)、Y(BS+1)、 Y(BS+2)、……、Y(2BS-1)為第1組濾波結(jié)果；Y(Nx-I)為最后1組濾波結(jié)果中的最后一個濾波結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有限脈沖響應(yīng)FIR濾波器。該FIR濾波器由濾波系數(shù)緩沖器、待濾波數(shù)據(jù)緩沖器、乘法器、累加器、累加寄存器和比較器構(gòu)成。其中濾波系數(shù)緩沖器用來緩沖濾波器中用到的系數(shù)，待濾波數(shù)據(jù)緩沖器用來緩沖待濾波數(shù)據(jù)，乘法器用來計算單個濾波系數(shù)與BS個待濾波數(shù)據(jù)的乘法結(jié)果，累加器用來計算乘法器輸出和累加寄存器輸出的和，累加寄存器用來存放累加器的結(jié)果，比較器的輸出用來指示當(dāng)前累加器的輸出是否為濾波輸出。本發(fā)明FIR濾波器可以達(dá)到并行計算的高效率。
文檔編號H03H17/02GK102510273SQ201110442668
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者尹磊祖, 張志偉, 汪濤, 王東琳, 謝少林 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所