本發(fā)明涉及濾波器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多通道流水FIR濾波器。

背景技術(shù)：

隨著雷達(dá)、通信等領(lǐng)域?qū)拵到y(tǒng)的需求不斷增加，寬帶數(shù)字陣列處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用。對于寬帶數(shù)字陣列系統(tǒng)，為了補(bǔ)償通道間頻率響應(yīng)的失配，需要在每個(gè)通道中串聯(lián)一個(gè)數(shù)字FIR均衡濾波器，使得所有通道的頻率響應(yīng)一致。為保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，數(shù)字FIR均衡濾波器通常通過FPGA或者專用ASIC實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)N階FIR時(shí)域常通過串聯(lián)的N個(gè)乘加器實(shí)現(xiàn)流水計(jì)算，乘加器的主頻與輸入有效數(shù)據(jù)率保持一致。但由于數(shù)字陣列的實(shí)際數(shù)據(jù)率因系統(tǒng)而異，隨著集成電路的飛速發(fā)展，F(xiàn)PGA尤其是ASIC的主頻越來越高，典型的ASIC的工作主頻可高達(dá)1GHz以上，實(shí)際輸入數(shù)據(jù)率僅百M(fèi)量級，典型的如200M。顯然，對于工作在1GHz主頻的乘加器，在處理200MHz輸入數(shù)據(jù)時(shí)，會有80％的時(shí)間處于空閑狀態(tài)，運(yùn)算效率極低。因此，有必要基于分時(shí)復(fù)用原理，設(shè)計(jì)一種多通道流水FIR濾波器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道FIR濾波的分時(shí)計(jì)算，從而充分發(fā)揮高工作主頻的優(yōu)勢，提高運(yùn)算效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種多通道流水FIR濾波器(MCP-FIR，Multi-Channel Pipeline FIR)，并開發(fā)同時(shí)適用于FPGA和專用ASIC的MCP-FIR濾波器模塊。目的是根據(jù)工作主頻和實(shí)際輸入數(shù)據(jù)率的關(guān)系，通過一組高主頻乘加器的分時(shí)計(jì)算，完成多個(gè)通道的流水FIR濾波，通道數(shù)可動(dòng)態(tài)配置。

一種多通道流水FIR濾波器，依次包括通道合并裝置、零級濾波單元、若干個(gè)串聯(lián)的通用濾波單元和通道拆分裝置，M路輸入數(shù)據(jù)經(jīng)所述通道合并裝置后合并為一路輸出，M為大于或等于1的整數(shù)；所述零級濾波單元包括第一乘法器、零級系數(shù)存儲單元、第一輸入寄存器組、第一輸出寄存器組和第一控制寄存器組，所述零級系數(shù)存儲單元和輸入寄存器組的輸出信號作為所述乘法器的輸入進(jìn)行相乘，結(jié)果進(jìn)入輸出寄存器組；所述通用濾波單元包括第二乘法器、第一加法器、緩沖移位器、第二系數(shù)存儲單元、乘法輸出寄存器、加法輸出寄存器組和第二控制寄存器組，所述零級濾波單元的一路輸出信號進(jìn)入所述緩沖移位器，經(jīng)緩沖移位進(jìn)入到所述第二乘法器，與所述第二系數(shù)存儲單元的輸出信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，結(jié)果輸出至乘法輸出寄存器組，延遲后的信號與所述零級濾波單元的另一路輸出信號經(jīng)所述加法器進(jìn)行相加，再輸出到加法輸出寄存器組；所述加法輸出寄存器組和所述緩沖移位器的輸出信號進(jìn)入下一個(gè)通用濾波單元，依次級聯(lián)；所述通道拆分裝置，用于從串行的濾波信號中提取出并行的M路數(shù)據(jù)輸出。

所述系數(shù)存儲單元為寄存器文件或RAM，但不限于以上兩種存儲結(jié)構(gòu)；

所述乘法器包括但不限于定點(diǎn)實(shí)數(shù)乘法器、定點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法器、浮點(diǎn)實(shí)數(shù)乘法器、浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法器的任意一種。

本發(fā)明產(chǎn)生了以下有益效果：

1、高工作主頻低數(shù)據(jù)率應(yīng)用條件下，采用一個(gè)FIR濾波器的乘加資源，分時(shí)完成了個(gè)多個(gè)輸入通道的流水FIR濾波運(yùn)算，運(yùn)算效率高；

2、輸入輸出接口符合非阻塞的標(biāo)準(zhǔn)AXI4-Stream接口，支持輸入數(shù)據(jù)中斷傳輸；

3、通過1個(gè)零級濾波單元和級聯(lián)的N-1個(gè)通用濾波單元實(shí)現(xiàn)了N階FIR濾波計(jì)算，級聯(lián)方式簡單，階數(shù)易于擴(kuò)展；

4、通道數(shù)可以動(dòng)態(tài)配置，適用于不同的應(yīng)用場景，通用性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多通道流水FIR濾波器結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為多通道流水FIR濾波器一實(shí)施例中零級濾波單元結(jié)構(gòu)圖；

圖3為多通道流水FIR濾波器另一實(shí)施例中通用濾波單元結(jié)構(gòu)圖；

圖4為又一實(shí)施例3通道16階FIR濾波器的工作時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

首先將并行輸入的M個(gè)通道數(shù)據(jù)分時(shí)合并成一路，然后采用1個(gè)零級濾波單元和級聯(lián)的N-1個(gè)通用濾波單元對該路數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道的流水N階FIR濾波運(yùn)算，共消耗N個(gè)乘法器和N-1個(gè)加法器，最后將運(yùn)算結(jié)果分時(shí)拆分成M個(gè)通道并行輸出，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，s_axi_data_i為第i路輸入數(shù)據(jù)，m_axi_data_i為計(jì)算完成后的第i路輸出數(shù)據(jù)，i＝0,1,…M-1，輸入輸出接口均符合非阻塞的標(biāo)準(zhǔn)AXI4-Stream接口，通道數(shù)M可由輸入接口s_M_value動(dòng)態(tài)配置。

設(shè)第i路的N階FIR濾波器的系數(shù)為h_n(i,j)，輸入數(shù)據(jù)為D(i,k)，輸出結(jié)果為Q(i,k)，則采用MCP-FIR完成M個(gè)通道的N階FIR濾波后，可以得到：

其中，j＝0,1,…,N-1，k＝0,1,…,K+N-1，K為輸入總點(diǎn)數(shù)。

MCP-FIR內(nèi)部各模塊的功能描述如下：

(1)通道合并

通道合并裝置用于完成并串轉(zhuǎn)換，即將并行輸入的M個(gè)通道的數(shù)據(jù)分時(shí)合并成一路輸出。設(shè)輸入數(shù)據(jù)率為fin，工作主頻fwork，其中工作主頻滿足：fwork≥M*fin。對每一路數(shù)據(jù)分別設(shè)置移位寄存器，第i路移位i個(gè)有效時(shí)鐘周期(s_axi_valid有效時(shí)對應(yīng)的時(shí)鐘周期稱之為有效時(shí)鐘周期，下同，當(dāng)s_axi_valid無效時(shí)不進(jìn)行移位)，然后從移位后的M路數(shù)據(jù)中輪詢選擇輸出，使得在第k個(gè)有效時(shí)鐘周期輸出第k％M(％表示求余，下同)路數(shù)據(jù)，其中，i＝0,1，…,M-1，k＝0,1，…。

(2)零級濾波單元

零級濾波單元包括第一乘法器、零級系數(shù)存儲單元、第一輸入寄存器組、第一輸出寄存器組和第一控制寄存器組。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系數(shù)存儲單元包括有M個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，分別存放對應(yīng)M路輸入數(shù)據(jù)的第1階FIR系數(shù)，當(dāng)?shù)趉個(gè)有效數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)選擇對應(yīng)第k％M路的FIR系數(shù)輸出給乘法器，k＝0,1，…。第一乘法器則完成數(shù)據(jù)和FIR系數(shù)的乘法運(yùn)算。

寄存器組則通過不同的寄存器個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)不同級數(shù)的延遲，主要用于零級濾波單元和通用濾波單元級聯(lián)時(shí)的有效數(shù)據(jù)對齊，保證兩路輸出滿足通用濾波單元的時(shí)序要求。

(3)通用濾波單元

通用濾波單元包括第二乘法器、第一加法器、緩沖移位器、第二系數(shù)存儲單元、乘法輸出寄存器、加法輸出寄存器組和第二控制寄存器組。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

系數(shù)存儲單元、乘法器和寄存器組的功能與零級濾波單元中的相同。

緩沖移位器主要用于實(shí)現(xiàn)中斷傳輸功能，當(dāng)工作主頻和實(shí)際數(shù)據(jù)率不成整數(shù)倍關(guān)系、或者數(shù)據(jù)率下調(diào)使用時(shí)，通道合并后的數(shù)據(jù)均會出現(xiàn)無效情況，造成中斷傳輸。緩沖移位器由輸入的s_axi_valid_1控制進(jìn)行緩沖移位，當(dāng)s_axi_valid_1有效時(shí)，功能相當(dāng)于M+1級的移位寄存器，當(dāng)s_axi_valid_1無效，會鎖存當(dāng)前移位狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)鐘周期立即輸出當(dāng)前的無效數(shù)據(jù)，直到s_axi_valid_1重新有效后繼續(xù)移位。緩沖器的輸出送給乘法器，同時(shí)作為m_axi_data_1輸出到下一級。

加法器用于完成乘法器輸出結(jié)果與前級輸入s_axi_data_2的加法運(yùn)算，加法結(jié)果作為當(dāng)前級的m_axi_data_2輸出。第N-1級通用濾波單元的加法器輸出即為M個(gè)通道N階FIR濾波后的運(yùn)算結(jié)果。

(4)通道拆分

通道拆分裝置用于完成串并轉(zhuǎn)換，即從串行的M個(gè)通道FIR濾波結(jié)果中提取出并行的M路數(shù)據(jù)輸出。先對輸入數(shù)據(jù)分別進(jìn)行M路移位，第i路移位M-i-1個(gè)有效時(shí)鐘周期，在第k個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)k％M＝M-1時(shí)將M路移位后結(jié)果同時(shí)輸出，其中，i＝0,1，…,M-1，k＝0,1，…。

采用以上結(jié)構(gòu)的M個(gè)通道的N級FIR濾波通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

首先，配置當(dāng)前通道數(shù)M，接著，M個(gè)通道數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)非阻塞AXI接口輸入，通道合并裝置進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將M個(gè)通道數(shù)據(jù)分時(shí)合并成一路輸出；

其次，合并的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行零級濾波單元和級聯(lián)的N-1級通用濾波單元，完成M通道的輸入數(shù)據(jù)與對應(yīng)通道FIR系數(shù)的乘加運(yùn)算，得到FIR運(yùn)算結(jié)果；

最后，通過通道拆分裝置完成串行轉(zhuǎn)換，按時(shí)間順序分離出M個(gè)通道數(shù)據(jù)并行輸出。

采用N個(gè)高主頻的乘加器實(shí)現(xiàn)了低數(shù)據(jù)率下M個(gè)通道的N階流水FIR計(jì)算，運(yùn)算效率高；采用1個(gè)零級濾波單元和N-1個(gè)通用濾波單元級聯(lián)的方式進(jìn)行FIR計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了全流水性能，且級聯(lián)方式簡單，階數(shù)易擴(kuò)展；緩沖移位機(jī)制，保證當(dāng)輸入數(shù)據(jù)在無效和有效之間跳變時(shí)，乘加器能正確識別和處理有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了可中斷傳輸?shù)墓δ?；通道?shù)可動(dòng)態(tài)配置，適用于不同應(yīng)用場景，通用性強(qiáng)。

根據(jù)以上技術(shù)方案，在ASIC工作主頻500MHz、輸入單通道平均數(shù)據(jù)率160M、階數(shù)16的應(yīng)用需求下，設(shè)計(jì)了一款3通道16階流水FIR濾波器，其中，零級濾波單元中第一輸入寄存器組為1級，第一輸出寄存器組和第一控制寄存器組為3級；通用濾波單元中乘法輸出寄存器組為2級，加法輸出寄存器組和第二控制寄存器組為1級，其工作時(shí)序示意圖如圖4所示。

為便于時(shí)序說明，不失一般性，設(shè)3個(gè)通道對應(yīng)的FIR系數(shù)均為全1，輸入數(shù)據(jù)中，1,4,7,…為第1個(gè)通道輸入數(shù)據(jù)，2,5,8,…為第2個(gè)通道輸入數(shù)據(jù)，3,6,9,…為第3個(gè)通道輸入數(shù)據(jù)，①表示通道合并的輸出，②表示零級濾波單元的輸出，③和⑤分別表示第1級通用濾波單元2路輸出，④表示第1級通用濾波單元內(nèi)部加法器的輸入，⑥和⑧分別表示第2級通用濾波單元2路輸出，⑦表示第2級通用濾波單元內(nèi)部加法器的輸入。

可以看到，三個(gè)通道輸入數(shù)據(jù)通過通道合并模塊后，并行3路數(shù)據(jù)串行排列，分時(shí)輸出，valid在第7個(gè)時(shí)鐘周期無效，第10個(gè)時(shí)鐘周期恢復(fù)有效。零級濾波單元完成乘法后輸出，因第一輸出寄存器組為3級，故②相對于①延遲了3個(gè)時(shí)鐘周期，無效數(shù)據(jù)同樣延遲了3個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)，①直接送給第1級通用濾波單元。

在零級濾波單元以及通用濾波單元中的乘法運(yùn)算時(shí)，單元內(nèi)部的系數(shù)存儲單元會根據(jù)有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與3的余數(shù)依次取出對應(yīng)路的FIR系數(shù)送給乘法器，確保三路輸入數(shù)據(jù)正確使用了對應(yīng)的FIR系數(shù)。

在第1級通用濾波單元中，先對①進(jìn)行緩沖移位，當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，直接進(jìn)行4級移位，當(dāng)數(shù)據(jù)無效時(shí)，鎖存當(dāng)前移位狀態(tài)，并在下一時(shí)鐘周期優(yōu)先輸出無效數(shù)據(jù)，直到第10個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)恢復(fù)有效，下一時(shí)鐘周期繼續(xù)啟動(dòng)移位操作。緩沖移位后的數(shù)據(jù)③同時(shí)送給內(nèi)部乘法器和第2級通用濾波單元。乘法器輸出經(jīng)過2級延遲后得到④送給內(nèi)部的加法器，加法器完成④和②的相加，并延遲1級后得到⑤送給第2級通用濾波單元。

第2級通用濾波單元內(nèi)部的工作機(jī)制與第1級相同，對③進(jìn)行緩沖移位輸出為⑥，內(nèi)部乘法器輸出并延遲2級后為⑦，內(nèi)部加法器將⑤和⑦相加并延遲1級后得到⑧，⑥和⑧繼續(xù)送至第3級濾波單元。

依次類推，第15級濾波單元輸出即為3路輸入數(shù)據(jù)的16階FIR濾波結(jié)果，再通過通道拆分模塊完成串并轉(zhuǎn)換，按時(shí)間順序分離3路數(shù)據(jù)，得到所需要的3個(gè)通道的并行結(jié)果輸出。

輸入的s_axi_last信號表征當(dāng)前輸入的最后一個(gè)數(shù)據(jù)，該信號將根據(jù)每一級濾波單元內(nèi)部的實(shí)際數(shù)據(jù)延遲值進(jìn)行相應(yīng)周期的移位，最終保證輸出m_axi_last表征輸出FIR運(yùn)算的最后一個(gè)結(jié)果。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實(shí)施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。