一种优化的FIR滤波器实现

简介：
This paper presents a folded realization of the finite impulse response (FIR) filter.FIR（Finite Impulse Response）滤波器被广泛地应用于数字信号处理领域中的线性移不变系统。它的一个显著特征是利用有限长度的脉冲响应进行处理，而这种脉冲响应实际上是滤波器系数的表现形式。在本文中，我们将深入探讨一种高效的FIR滤波器实现方法——折叠实现法，并重点分析其在48阶FIR滤波器上的应用及其优化策略。特别地，针对48阶的FIR滤波器，我们采用了一种称为“8倍折叠设计”的高效架构方案。这种设计不仅能够有效减少计算量和资源消耗，还可以显著提高系统的性能指标。采用8倍频技术，FIR数字滤波器在IS-95移动通信系统中被构建为基带低通滤波器。该系统规定了严格的性能指标：通带内纹波控制在1.5dB以内，阻带衰减达到至少40dB，并且设定单边带宽。基于这些性能标准，FIR数字滤波器一般选用48个系数设计。在FPGA架构中实施FIR数字滤波器，需权衡各参数间的最佳配置。特别地，在处理效率优先于面积占用的场景下。 传统的48阶FIR滤波器采用大量乘法器和加法器进行实现，在硬件资源方面具有较高的消耗。然而，基于IS-95基带滤波器的偶对称性特性（h(i) = h(47-i)），可以通过共享乘法器将数量减少至24个。此外，通过折叠技术可以进一步降低所需的资源需求。其主要原理是利用高时钟频率下的分时复用策略来优化硬件资源的使用效率。8折叠实现即为将48阶滤波器划分为8个子滤波器，每个子滤波器仅需使用3个乘法器、6个加法器以及微少的存储单元。该方法显著降低了对乘法器的数量需求，并显著提升了资源利用效率，在FPGA设计中，此方式对于实现高性能且低功耗的数字滤波器而言具有重要意义。实现该技术的核心在于对折线方程的求解过程。该方法通过引入创新性的数学转换手段，成功地将传统上必须依赖大量乘法器完成的任务简化为所需计算步骤数量的一半以下，并且在不牺牲滤波器性能的前提下实现了这一优化目标。针对该方案的可行性，研究团队在其所选FPGA架构XC2V500-4FG456C上进行了功能仿真测试，并得出了令人满意的实验结果。就其应用而言，在FPGA设计领域中实现FIR滤波器的折叠结构是一种优化硬件资源利用的有效策略。基于对其滤波器系数特性的深入分析，并结合巧妙的数学变换方法，可以在不牺牲滤波性能的前提下显著降低硬件开发成本和功耗水平。这种技术在通信系统、信号处理以及数字滤波等工程领域展现出显著的实用性前景。