摘　要：半帶濾波器是一種高效的數(shù)字濾波器，目前流行的半帶濾波器設(shè)計方法一般能夠滿足參數(shù)要求，但其存在著功耗高、面積大、資源耗費代價高等不足之處。為了彌補上述的不足，文中提出了一種基于折疊技術(shù)的新的半帶濾波器設(shè)計方法。

　　首先根據(jù)設(shè)計要求用MATLAB產(chǎn)生相應(yīng)的濾波器系數(shù)，用CSD碼對系數(shù)進行優(yōu)化，然后采用折疊結(jié)構(gòu)，通過代碼實現(xiàn)。設(shè)計過程當(dāng)中還用到分時復(fù)用和重定時技術(shù)。相比其它半帶濾波器的設(shè)計，本設(shè)計具有耗費的資源少，整個抽取、濾波過程包括系數(shù)產(chǎn)生始終沒有用到乘法器，而且延遲小、功耗低、面積小、單一時鐘控制有很高的穩(wěn)定性。

　　作為軟件無線電的核心技術(shù)———上下變頻技術(shù)可以通過專用芯片來實現(xiàn)。目前市場上的DDC、DUC品種很多，盡管這些專業(yè)芯片的功能強大但其價格昂貴，工作參數(shù)配置非常的復(fù)雜，且由于當(dāng)前的通信制式多種多樣，專用芯片無法完全滿足軟件無線電系統(tǒng)的性能指標(biāo)。而FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，擁有豐富的邏輯資源，可編程性強，可以用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理比如卷積、相關(guān)和濾波等等，為此采用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字上下變頻是目前軟件無線電通信系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方案。

　　數(shù)字上下變頻由各種多采樣率數(shù)字濾波器組成，常見的濾波器有C IC濾波器、半帶濾波器、FIR整形濾波器等。半帶濾波器(Half2Band)是一種特殊的F IR濾波器，由于其系數(shù)的對稱性以及將近一半系數(shù)為零值，這使得其濾波運算過程中乘法次數(shù)減少近3 /4，加法次數(shù)減少近一半，同時用于存儲系數(shù)的存儲器也減少了一半，因此半帶濾波器是個高效的數(shù)字濾波器，特別適合實現(xiàn)2的冪次方倍的抽取或者內(nèi)插，有計算效率高，實時性強等特點。流行的半帶濾波器系統(tǒng)級設(shè)計方法主要是在MATLAB環(huán)境下根據(jù)設(shè)計要求搭建系統(tǒng)，用sySTem generator系統(tǒng)設(shè)計工具，將模型直接轉(zhuǎn)化成代碼，然后進行調(diào)用，此方法實現(xiàn)起來比較簡單，一般能夠滿足要求但其存在著功耗高、面積大、資源耗費代價高等不足之處。為了彌補上述不足，本設(shè)計首先根據(jù)設(shè)計要求用MATLAB產(chǎn)生相應(yīng)的濾波器系數(shù)，然后采用折疊結(jié)構(gòu)，通過代碼編寫來實現(xiàn)。

　　1　半帶濾波器的設(shè)計原理

　　半帶濾波器(HB)是一種特殊的F IR濾波器，其頻率響應(yīng)滿足公式1的FIR濾波器。

　　F IR濾波器可以表示為：

　　根據(jù)公式2，通常半帶濾波器可以采用直接型或者轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。由于h ( k ) = h (N - 1 - k) ，采用轉(zhuǎn)置型結(jié)構(gòu)可以減少乘法器以及加法器的使用，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)置型FIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖

　　2　基于折疊結(jié)構(gòu)的半帶濾波器的設(shè)計

　　2. 1　折疊技術(shù)的原理

　　半帶濾波器用作抽取器使用時，其輸出速率為輸入速率的一半，即輸出速率與系統(tǒng)時鐘頻率是1∶2的關(guān)系，因此可以把轉(zhuǎn)置型的半帶濾波器進行折疊，折疊因子為2。為了使得折疊后時序不會出錯， 我們首先得算出折疊后各結(jié)點之間的延遲值， 延遲可按照公式3進行計算。

　　其中DF ( u→v)指折疊后功能單元u的輸出到功能單元v的輸入所經(jīng)過的延時數(shù)， N 為折疊因子即折疊后功能單元迭代的次數(shù)， w ( e)是折疊前功能單元u和功能單元v之間的延時數(shù)， Pu 是功能單元u的流水級數(shù)， v和u分別是功能單元v和u的編號。計算出各個結(jié)點延遲值后我們就可以得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)圖編寫代碼。在下采樣當(dāng)中采用折疊技術(shù)，可以大大減少乘法器的使用，減少大量的乘法運算，減少了面積和功耗。

　　2. 2　基于折疊結(jié)構(gòu)的半帶濾波器的設(shè)計

　　下面以一個基于折疊結(jié)構(gòu)的11階半帶濾波器的設(shè)計為例來說明設(shè)計的可行性及優(yōu)越性。

　　2. 2. 1　設(shè)計指標(biāo)

　　設(shè)計指標(biāo)：系統(tǒng)時鐘為61. 44MHz，半帶濾波器的階數(shù)11 階，系數(shù)為定點18 位，濾波器通帶要求1. 23M，阻帶位置要求為30. 72 - 1. 75 = 28. 97M。

　　2. 2. 2　下采樣數(shù)據(jù)率變換

　　半帶濾波器作為抽取器使用時，其抽取因子為2，即輸出速率為輸入速率的一半，也就是說輸出速率與系統(tǒng)時鐘頻率是1： 2的關(guān)系。為了采用折疊技術(shù)，同時也方便整個濾波過程的時序控制，首先我們利用系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生一個同步控制信號cONtr_ rw。

　　同步控制信號contr_ rw的初始值為1，在每個系統(tǒng)時鐘上升沿到來時，其值在0與1之間進行跳變，其它時候數(shù)值保持不變，也就是說在第一個系統(tǒng)時鐘上升沿到來時， contr_ rw的值由1跳變?yōu)?，此值一直保持著，直到第二個系統(tǒng)時鐘上升沿到來時， contr_rw的值才由0跳變?yōu)?，同樣此值也一直保持到第三個系統(tǒng)時鐘上升沿到來時才發(fā)生跳變。由此可見contr_rw的值只有在系統(tǒng)時鐘上升沿到來時才發(fā)生跳變，為此我們可以用此同步控制信號作為分路器(DEMUX)的選通開關(guān)把輸入數(shù)據(jù)分成奇、偶2個通道，以此達到下采樣數(shù)據(jù)率變換。當(dāng)系統(tǒng)時鐘上升沿到來時，如果同步控制信號contr_ rw的值為0，則把輸入數(shù)據(jù)送入奇通道，此時偶通道送入的是0值;如果contr_rw的值為1，則把輸入數(shù)據(jù)送入偶通道，此時奇通道送入的是0值;緊接著在經(jīng)過兩級的數(shù)據(jù)率穩(wěn)定之后，奇、偶2個通道的數(shù)據(jù)率均為系統(tǒng)時鐘頻率的一半，也就是說此時奇、偶通道均為每兩個時鐘變化一次數(shù)據(jù)。根據(jù)公式2，我們知道此11階半帶濾波器的輸出為：

　　由此表達式我們知道x ( n) h0、x ( n - 2) h2、x ( n - 4) h4、x (n - 6) h4、x (n - 8) h2、x (n - 10) h0 是根據(jù)奇通道數(shù)據(jù)產(chǎn)生的， x (n - 5) h5 是根據(jù)偶通道數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。為了節(jié)約資源同時也為后續(xù)的折疊技術(shù)的應(yīng)用，系數(shù)h2、h4 采用分時復(fù)用技術(shù)，當(dāng)同步控制信號contr_rw的值為0時產(chǎn)生系數(shù)h4、contr_rw的值為1時產(chǎn)生系數(shù)h2。

　　2. 2. 3　各結(jié)點延時單元計算

　　首先我們把設(shè)計當(dāng)中用到的每個乘法器和加法器都當(dāng)成一個結(jié)點，在應(yīng)用折疊技術(shù)之前我們必須先知道各結(jié)點之間的延時值。如圖1所示我們標(biāo)注好每個結(jié)點的編號，為了讓其結(jié)構(gòu)具有對稱性，我們把圖1當(dāng)中的結(jié)點12當(dāng)成是一個加法器，此加法器的輸入分別為： 0值和結(jié)點8的輸出值。由于時鐘頻率是輸出速率的2倍，因此折疊因子N = 2， 此時所有編號為奇數(shù)的結(jié)點其u或者v值均為0，所有編號為偶數(shù)的結(jié)點其u或者v值均為1，根據(jù)公式3我們可以算出各個關(guān)鍵結(jié)點之間的延遲值為：DF ( 5→6) = 5、DF (6→7) = 3、DF ( 7→8) = 3、DF ( 8→12) =0、DF (12→11) = 1、DF ( 11→10) = 5、DF ( 10→9) =3。根據(jù)這些延遲值，我們知道完成一次的濾波工作需要22個系統(tǒng)時鐘和20個D觸發(fā)器。為了能夠以最快的速度完成濾波功能，這時可以引入重定時技術(shù)對D觸發(fā)器進行分配，在滿足時序的情況下減少D觸發(fā)器的使用， 從而減少延遲。重定時后各結(jié)點的延遲值為： DF ( 5→6) = 3、DF ( 6→7) = 1、DF ( 7→8) = 1、DF ( 8 →12) = 0、DF ( 12 →11) = 1、DF ( 11 →10) = 3、DF ( 10→9) = 1，也就是說采用重定時以后完成一次的濾波工作只需11個系統(tǒng)時鐘和10個D觸發(fā)器。于是根據(jù)這些延遲值我們便得到了折疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2　基于折疊結(jié)構(gòu)的半帶濾波器的結(jié)構(gòu)圖

　　2. 2. 4　時序分析

　　圖2當(dāng)中的0表示同步控制信號contr_rw的值為0， 1表示同步控制信號contr_rw的值為1，為了方便分析，我們把圖2當(dāng)中的加法器按照從左到右，從上到下的順序依次編號為加法器1、加法器2、加法器3、加法器4，用fm0mul_w表示通道送給加法器1的輸入， 用fm0add _ r 表示加法器1 的輸出; 用fm1mul_w表示通道送給加法器2的輸入，用fm1add_r表示加法器2的輸出，其它類推。接下來簡要的分析下該設(shè)計是如何工作的。

　　第一個時鐘Clock1：同步控制信號contr_ rw的值為0，通道送入加法器1 的數(shù)據(jù)為x ( 0) h0 ， 加法器1的另一個輸入值為0，此時加法器1的輸出值為x (0) h0 ;通道送入加法器2的數(shù)據(jù)為x ( 0) h4 ; 通道送入加法器3的數(shù)據(jù)為x ( 0) h0 ;通道送入加法器4的數(shù)據(jù)為x (0) h4。

　　第二個時鐘Clock2：同步控制信號contr_ rw的值為1，通道送入加法器1的數(shù)據(jù)為x (0) h2 ;通道送入加法器2的數(shù)據(jù)為x (1) h5 ;通道送入加法器3的數(shù)據(jù)為x (0) h2 ;送入加法器4的數(shù)據(jù)為0。

　　第三個時鐘Clock3、第四個時鐘Clock4、第五個時鐘Clock5、第六個時鐘Clock6可按照此方法依此類推，具體時序參見表1。

　　第七個時鐘Clock7：同步控制信號contr_ rw的值為0，通道送入加法器1的數(shù)據(jù)為x (6) h0 ，加法器1的另一個輸入值為0， 此時加法器1 的輸出值為x (6) h0 ;通道送入加法器2 的數(shù)據(jù)為x ( 6 ) h4 ， 在Clock6產(chǎn)生的fm0add_ r經(jīng)過1個時鐘延時成為此時刻加法器2的另外一個輸入值，于是此時加法器2的輸出值為x (2) h0 + x (4) h2 + x (6) h4 ;通道送入加法器3的數(shù)據(jù)為x (6) h0 ;通道送入加法器4的數(shù)據(jù)為x ( 6) h4 ，在Clock6產(chǎn)生的fm3add_ r經(jīng)過1個時鐘延時成為此時刻加法器4的另外一個輸入值，于是此時加法器4的輸出值為x ( 0) h0 + x ( 2) h2 +x (4) h4 + x (5) h5 + x (6) h4。

　　第八個時鐘Clock8、第九個時鐘Clock9、第十個時鐘Clock10 可以按此方法類推， 具體時序參見表1。

　　第十一個時鐘Clock11： 同步控制信號contr_rw的值為0，通道送入加法器1 的數(shù)據(jù)為x ( 10 )h0 ，加法器1 的另一個輸入值為0， 此時加法器1的輸出值為x ( 10) h0 ;通道送入加法器2的數(shù)據(jù)為x ( 10) h4 ，在Clock10產(chǎn)生的fm0add_ r經(jīng)過1個時鐘延時成為此時刻加法器2 的另外一個輸入值，于是此時加法器2的輸出值為x ( 6) h0 + x ( 8) h2 +x (10) h4 ;通道送入加法器4的數(shù)據(jù)為x ( 10) h4 ，在Clock10產(chǎn)生的fm3add_r經(jīng)過1個時鐘延時成為此時刻加法器4的另外一個輸入值，于是此時加法器4的輸出值為x ( 4) h0 + x ( 6) h2 + x ( 8) h4 + x ( 9) h5+ x (10) h4。通道送入加法器3的數(shù)據(jù)為x ( 10) h0 ，在Clock10產(chǎn)生的fm2add_r經(jīng)過1個時鐘延時成為此時刻加法器3的另外一個輸入值，于是此時加法器3的輸出值為x ( 0 ) h0 + x ( 2 ) h2 + x ( 4 ) h4 +x (5) h5 + x (6) h4 + x (8) h2 + x (10) h0。

　　以上是基于折疊結(jié)構(gòu)的11階半帶濾波器一個完整的濾波過程。具體的各個結(jié)點的時序如表1所示。

表1　時序表

　　3　仿真與實現(xiàn)

　　本設(shè)計采用Verilog語言編寫，所采用的芯片是Xilinx公司的xc4vsx35 - 10ff668，用ISE10. 1和Modelsim進行仿真驗證。仿真結(jié)果、綜合報告圖如圖3、圖4所示。從圖3我們可以看出采用折疊技術(shù)的半帶濾波器，其系數(shù)的產(chǎn)生以及最終濾波器的輸出完全正確，完全滿足我們的設(shè)計要求。

　　傳統(tǒng)的直接型半帶濾波器的設(shè)計單單濾波過程，不包括系數(shù)的產(chǎn)生和抽取過程，需要10個D觸發(fā)器、7個乘法器、6個加法器，而轉(zhuǎn)置型半帶濾波器則需要10個D 觸發(fā)器、4 個乘法器、7 個加法器。

　　然而從圖4我們可以看到整個半帶濾波器耗費的資源相當(dāng)?shù)纳?，總共用?3 個加法器， 16 個寄存器。而由此可見采用折疊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半帶濾波器的設(shè)計能夠大大減少資源的耗費，而且整個過程沒有用到乘法器只是用到少量的加法器和寄存器，減少了大量的乘法帶來的額外的面積和功耗。同時本設(shè)計還經(jīng)過硬件電路的驗證，工作正常穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

圖3　基于折疊結(jié)構(gòu)的11階半帶濾波器仿真圖

圖4　基于折疊結(jié)構(gòu)的11階半帶濾波器綜合報告圖

　　4　結(jié)論

　　本文以11階半帶濾波器的設(shè)計為例，介紹了折疊技術(shù)在半帶濾波器上的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的設(shè)計相比其有很大的優(yōu)越性和突破，單一時鐘控制，并且設(shè)計過程當(dāng)中沒用到乘法器，大大減少了硬件資源，同時也使設(shè)計面積和功耗大為減少，穩(wěn)定性高！