基于LUT的高能效FIR数字滤波器设计与实现

发布时间：2020-05-28 03:31

【摘要】：随着数字集成电路的不断发展,电路规模与集成度不断增大,而面积却不断减小,这一因素催生出了许多便携式与可穿戴式设备等小型产品,这也意味着如今集成电路设计需要同时兼顾面积,延迟与功耗。例如在小型便携式无线通讯设备中,电路不仅需要面积小,且需要满足较高的工作速率,以及一定的功耗要求。上述指标在本文中使用了功耗面积延迟积(Power-Delay-Area Product,PDAP)来衡量,PDAP越小意味着电路的能效越高。有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器作为数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)系统中的基本单元,在诸多领域都有着广泛的应用,由于FIR数字滤波器的功耗在许多DSP系统中,尤其是通讯类DSP系统,占了较大的比重,因此提高该类滤波器的能效对于设计高能效的DSP系统而言具有重要作用。在众多FIR数字滤波器的实现结构中,基于查找表(Look-Up-Table,LUT)乘法的FIR数字滤波器有着工作速率高且动态功耗低的特点,因此已被广泛应用于如通讯领域等的便携式设备中。本文以基于LUT乘法的FIR数字滤波器为基础,重新设计了滤波器内部乘法运算单元的结构,并提出了一种针对LUT乘法运算的优化方法,即高位近似存储(Approximate Most-significant-Multiples Storage,AMMS)方法。AMMS方法主要采用了进行近似截位技术对LUT的存储位宽进行压缩,并结合了新型LUT存储方案对LUT的存储容量进行优化。本文随后以AMMS方法为基础设计了一种新型的LUT近似乘法器,并以该乘法器为基础进一步设计并实现了 FIR数字滤波器。本文的所有设计均使用了Verilog语言进行编码,并采用了180nm CMOS工艺的数字标准单元库进行综合。与此同时,本文使用了自建1.2V低电压数字标准单元库,对所设计的FIR数字滤波器进行了二次综合优化与后端版图实现,并完成了版图流片前的所有检查工作。根据本文实验结果,AMMS方法对LUT乘法器与FIR数字滤波器能效的提升是巨大的,当LUT乘法器的规模为16×16比特时,基于AMMS方法设计的乘法器比基于传统方法设计的乘法器能效高很多,前者的PDAP只有后者的25%左右。而在输入与固定系数位宽均为8比特,滤波器阶数为16阶的FIR数字滤波器中,基于AMMS方法设计的FIR数字滤波器同样比基于传统LUT乘法的FIR数字滤波器能效要高,前者的PDAP约为后者的70%。
【图文】：

至ＬＵＴ中，即表２－２中为０的部分。由于需要存储的乘法结果只有一半，逡逑ＬＵＴ占用的面积自然下降为原来的１／２。逡逑图２－４展示了邋ＯＢＣ方法的电路实现结构。在实际运算过程中，ＯＢＣ方法会将逡逑输入的最高符号位单独取出，并利用输入的其他位进行编码并得到“ＬＵＴ中存储逡逑数据的读取地址”。从ＬＵＴ中读取乘法结果后，ＯＭＳ方法会将该结果与输入的符逡逑号位一并输入到判断模块中，并决定下一步是进行加法运算还是减法运算。如图２－逡逑４所示，相对于使用传统ＬＵＴ乘法运算而言，，基于ＯＢＣ的ＬＵＴ乘法运算将加法逡逑操作扩展为了加减法操作，并额外增加了符号位控制模块。ＯＢＣ方法并未针对采逡逑用二进制补码方式进行表示的输入进行扩展性的原理阐述，实际上当输入为二进逡逑制补码表示时，ＯＢＣ方法的实现过程略有不同，但也只是改变了编码电路结构，逡逑并不会对ＯＢＣ方法的整体效果产生很大影响。逡逑１邋］逡逑Ｘ１—／—？逡逑”逦１６－ｗｏｒｄ逡逑２＾？邋ＲＯＭ逡逑ｖ邋１逦（Ｔｏｐ邋Ｈａｌｆ邋ｏｆ邋＇逡逑ｘ３—／￣？逦Ｔａｂｌｅ邋ｔ）逡逑ｘ４—Ｖ－

ＯＭＳ方法与ＡＰＣ方法的效果一样，且均适用于ＬＵＴ乘法器。不过ＯＭＳ方逡逑法比ＡＰＣ方法更为简单，因为前者只需要额外的移位运算电路，而不需要加减法逡逑运算电路。ＯＭＳ的工作原理与电路实现结构分别如表２－４与图２－６所示。逡逑表２－４邋ＯＭＳ方法的存储策略逡逑＾地址￣逡逑，，，邋表示符号存储的数据邋输入逦乘法结果逦移位数逦移位码逡逑？２邋ｗｌ邋ｄ0逡逑０００邋１逦Ａ逦０逦００逡逑００邋１邋０逦２１邋ｘＡ逦１逦０１逡逑０００逦Ｐｏ逦Ａ逦：逦逡逑０逦１００逦２２ｘＡ逦２逦１０逡逑逦１邋０００逦２３ｘＡ逦３逦１１逡逑００１逦１逦３Ａ逦０逦００逡逑００１逦Ｐｉ逦３Ａ逦０１１０逦２１邋ｘ３＾逦１逦０１逡逑逦１邋１邋００逦２２邋ｘ邋３Ａ逦２逦１０逡逑０邋１０邋１逦５Ａ逦０逦００逡逑０邋１０逦Ｐ２逦５Ａ逦；逦逡逑逦１０１０逦２ｘｘ５Ａ逦１逦０邋１逡逑０１１１逦１Ａ逦０逦００逡逑０邋１１逦Ｐ３逦１Ａ逦；逦逡逑逦１１１０逦２
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713.7

【参考文献】

相关期刊论文 前5条

1 周连方;夏银水;王伦耀;;基于改进的LUT乘法器的FIR滤波器设计[J];浙江大学学报(理学版);2014年06期

2 鞠芳;马昕;田岚;;基于FPGA的数字乘法器性能比较[J];电子器件;2011年06期

3 闫永鹏;于海勋;;一种基于LUT的改进FIR滤波器的设计[J];微电子学;2010年05期

4 蒋俊华;王蓓;张婷;李宗惠;;基于FPGA的乘法器设计和实现[J];河南机电高等专科学校学报;2010年02期

5 王法栋;刘宇;;高阶数字滤波器分布式算法结构比较[J];声学技术;2009年03期

相关硕士学位论文 前2条

1 周连方;低功耗FIR滤波器设计关键技术[D];宁波大学;2014年

2 郑运冬;基于FPGA的FIR滤波器设计与实现[D];复旦大学;2013年

本文编号：2684633