FIR数字滤波器研究目的意义与现状.doc

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FIR数字滤波器研究目的意义与现状

1概述

2研究目的和意义

3国内外的研究现状

1概述

随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列FPGA为代表的ASIC专用集成电路器件得到了迅速普及和发展,器件集成度和速度都在高速增长。

FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编程逻辑器件的可编程特性,可以减少系统设计和维护的风险,降低产品成本,缩短设计周期。

数字滤波在语音和图像处理、HDTV、模式识别、谱分析等应用中经常用到。

与模拟滤波相比,数字滤波可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求,可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。

有限长冲激响应（FIR）滤波器,由于FIR系统只有零点、系统稳定,便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用。

分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法,它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。

简单地说,分布式算法在完成乘加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进行相加形成相应部分积,然后再对各部分积进行累加形成最终结果,而传统算法是等到所有乘积产生之后再进行相加来完成乘加运算的。

与传统算法相比,分布式算法可极大地减少硬件电路规模,很容易实现流水线处理,提高电路的执行速度。

2研究目的和意义

在数字信号处理中,FIR数字滤波器是最常用的单元之一。

它用于将输入信号x[n]的频率特性进行特定的修改,转换成另外的输出序列y[n]。

与IIR滤波器相比较，在设计和实现上FIR滤波器具有如下优越性:

1、相位响应可为严格的线性，因此它不存在延迟失真，只有固定的时间延迟。

2、由于不存在稳定性问题，所以设计相对简单。

3、只包含实数算法，不涉及复数算法，不需要递推运算。

另外，也应看到，IIR滤波器虽然设计简单，但主要是用于设计具有分段常数特性的滤波器，如低通、高通、带通和带阻等，往往脱离不了模拟滤波器的格局。

而FIR滤波器则要灵活的多，尤其是他易于适应某些特殊应用，如构成数字微分器或希尔伯特变换器等，因而有更大的适应性和广阔的应用领域。

传统的FIR数字滤波器多采用诸如TMS320CXX系列的专用DSP芯片,根据输入采样的移位相乘累加编写软件,利用软硬件的相互结合完成滤波器的设计。

但DSP芯片是基于哈佛体系结构的,它的顺序处理方式限制了数据的处理速度和吞吐量。

而FPGA有着规整的内部逻辑块整列和丰富的连线资源，特别适合用于细粒度和高并行度结构的FIR滤波器的实现，相对于串行运算主导的通用DSP芯片来说，并行性和可扩展性都更好。

由于在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势,基于FPGA的数字信号处理器已广泛应用于图像、视频和无线通信领域。

采用分布式算法的FPGA滤波器,其突出的优点是：

运算速度不再和滤波器的阶数正相关,而是与采样数据的宽度相关，特别适合于高阶高速FIR滤波器的设计，在提高系统运行速度和节省硬件资源方面具有很大的优势。

而且，通过改变阶数和查找表中的系数，还可以将此设计灵活地运用于实现高通、低通和带阻滤波器，可移植性较好。

因此，这种方法在高速数字信号处理中将有很好的应用前景。

3国内外的研究现状

作为嵌入式系统的基础元件之一，FPGA的面貌正日新月异：

逻辑单元不断增加、单位成本和功耗不断降低,而根本的设计灵活性和快速转换能力却始终未变。

在变与不变的共同推动下,FPGA的价值发生了变化,它已从纯粹的建模工具发展成为适合中小批量生产的应用器件,而其应用也从早期的嵌入式通信系统扩展到了低成本的消费电子。

FPGA之所以越来越多地在嵌入式系统中得到应用,主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步,从而能够满足OEM日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功耗要求。

“内外两个因素正驱动着这种以价值为基础的FPGA市场的高速发展。

”Act公司中国区经理夏明威如是说，“内因是FPGA单位成本的急速下降。

凭借半导体工艺技术的不断进步和制造效率的提高,FPGA已在很多对成本高度敏感的市场上与ASIC平分秋色。

”

市场分析师对可编程逻辑器件市场的预测也验证了这一趋势。

首先据市场调研公司GartnerDataquest预测，2003到2008年，整体可编程逻辑市场的复合年均增长率达38%；其次,他们预测这一增长是由汽车和消费电子应用驱动的。

他们还认为,FPGA在消费电子中的应用将于2008年超过10亿美元,即接近其2002年营收水平的10倍。

增长的推动力主要来自全球数字和高解晰度广播电视传输标准、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子显示技术、以及家用DVR和DVD-W技术应用的不断上升；在汽车领域，FPGA将越来越多用于驾驶室内娱乐系统和GPS导航系统、信息、通信和安全系统。

以FPGA为核心的PLD产品是近几年集成电路中发展得最快的产品。

随着FPGA性能的高速发展和设计人员自身能力的提高,FPGA将进一步扩大可编程芯片的领地,将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。

目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：

1、向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进；

2、向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展；

3、IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式；

4、MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心；

5、随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路版上可能只有这两部分电路：

6、模拟部分（包括电源和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器）。

分布式算法（distributedarithmetic，DA）最初是在1973年由Croisier提出的，由Peled和Liu进行了推广工作。

但直到Xilinx发明FPGA的查找表以后，DA算法才在上世纪90年代初重新受到重视，并有效地应用在FIR滤波器的设计中。

长期以来，FPGA一直被用于逻辑或时序控制上，很少用于信号处理方面，主要原因是FPGA中没有直接的硬件乘法器。

通过分布式算法，对于固定系数的乘法这个问题得到了很好的解决。

而且由FPGA代替ASIC和DSP作为前端数字信号处理的运算，在规模、重量和功耗方面都有所降低，而且吞吐量更高，开发成本进一步缩短。

可以预见，在未来，大量的FPGA将会统治更多的如FIR滤波、CORDIC算法或FFT等的前端应用。