音頻壓縮編碼中子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)

音頻壓縮編碼中子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)音頻壓縮編碼中子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)

論文聯(lián)盟*編輯。摘要：介紹子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)方案，子帶濾波器組主要應(yīng)用于數(shù)字音頻壓縮編碼MPEG1-II的實(shí)現(xiàn)，爭(zhēng)論實(shí)現(xiàn)其算法的三種電路設(shè)計(jì)方案并對(duì)比各自的優(yōu)劣性，最終確定并行流水線的方式，采納ModelSim平臺(tái)實(shí)現(xiàn)子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)。

音頻壓縮編碼中子帶濾波器組的電路設(shè)計(jì)

，但是這種濾波器最大的缺點(diǎn)就是濾波速度慢，一次濾波需要的時(shí)鐘數(shù)由濾波器的階數(shù)打算。

圖2串行方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

2.2并行方式實(shí)現(xiàn)原理

并行方式可以在每個(gè)時(shí)鐘周期都完成一次數(shù)據(jù)乘累加的運(yùn)算過(guò)程。比較串行方式實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)，并行方式就無(wú)需狀態(tài)機(jī)來(lái)一步一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加的過(guò)程，用多個(gè)乘法器和加法器并行實(shí)現(xiàn)。直接并行FIR濾波器雖然可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次濾波，但由于其中的乘累加都是用大面積的組合規(guī)律完成，器件延時(shí)比較大，所以其工作速度不行能太快。

2.3并行流水線方式實(shí)現(xiàn)原理

為了提高濾波速度，可以在中間適當(dāng)?shù)牟迦爰拇嫫鳎瑯?gòu)成流水線，這樣濾波器可以工作在很高的運(yùn)行頻率上，但是要占用更多的硬件資源，由于在加法器和乘法器后面都需插入相應(yīng)的流水寄存器，相乘后的結(jié)果用平行的加法器樹(shù)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相加。比如8階對(duì)稱系數(shù)FIR濾波器的流水實(shí)現(xiàn)由4級(jí)流水構(gòu)成，詳細(xì)如下：

1）8個(gè)輸入用4個(gè)加法器相加構(gòu)成第一級(jí)流水。

2）4個(gè)并行乘法器構(gòu)成其次級(jí)流水。

3）得到的4個(gè)中間值兩兩相加構(gòu)成第三級(jí)流水。

4）得到的2個(gè)中間值兩兩相加構(gòu)成第四級(jí)流水。

2.4三種實(shí)現(xiàn)方式的比較

串行實(shí)現(xiàn)方式濾波器所占的硬件資源較少，但它完成一次濾波需要N（N為濾波器的階數(shù)）次乘累加運(yùn)算。

并行實(shí)現(xiàn)的濾波器是把濾波的實(shí)現(xiàn)綻開(kāi)，用多個(gè)乘法器和加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的濾波器所需硬件資源最多，運(yùn)行的速度最快，可以一個(gè)時(shí)鐘周期就完成一次濾波。

并行流水線形式的濾波器是在前面的形式下在中間適當(dāng)?shù)牟迦爰拇嫫?，將整個(gè)計(jì)算過(guò)程分解為幾級(jí)流水來(lái)做，提高了吞吐量，但一次運(yùn)算要經(jīng)過(guò)幾級(jí)流水才可算出，有肯定延遲，但是在算法過(guò)程中可以在每個(gè)時(shí)鐘周期輸出一次濾波結(jié)果，速度要較串行大大提高，消耗的硬件資源是介于串行和并行之間的。

3設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)處理

在算法的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，在考慮到運(yùn)算速度及硬件資源方面，選用定點(diǎn)數(shù)表示數(shù)據(jù)，在定點(diǎn)算法中最重要的是確定字長(zhǎng)。字長(zhǎng)影響硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的硬件資源，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，硬件的面積越大，速度會(huì)更慢，所以要保證計(jì)算精度的前提下盡量的縮小字長(zhǎng)，依據(jù)Matlab仿真確定輸入的數(shù)值位寬為12位。

在

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本設(shè)計(jì)中利用有符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)的原碼表現(xiàn)形式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，二進(jìn)制碼的最高位既是符號(hào)位又是整數(shù)位。那么，其加減法運(yùn)算就有這兩種狀況：1）當(dāng)符號(hào)位相同時(shí)，即兩個(gè)數(shù)同時(shí)為正或?yàn)樨?fù)時(shí)，將除符號(hào)位的數(shù)位進(jìn)行加法運(yùn)算，所得結(jié)果的符號(hào)由任一數(shù)據(jù)的符號(hào)位打算；2）當(dāng)符號(hào)位不同時(shí)，即兩個(gè)數(shù)據(jù)一個(gè)為正一個(gè)為負(fù)數(shù)的狀況，首先，推斷小數(shù)部分肯定值的大小，結(jié)果的符號(hào)位由較大的數(shù)據(jù)打算。由于處理的數(shù)據(jù)為數(shù)值較小的純小數(shù)，因此不需要考慮溢出的問(wèn)題。

與定點(diǎn)小數(shù)加法運(yùn)算相比較而言，定點(diǎn)小數(shù)乘法運(yùn)算相對(duì)來(lái)講是比較簡(jiǎn)便的。其運(yùn)算的過(guò)程分兩個(gè)步驟：1）將乘數(shù)和被乘數(shù)的符號(hào)位相異或，得到的結(jié)果作為積的符號(hào)位；2）將乘數(shù)和被乘數(shù)除各自的符號(hào)位以外的數(shù)據(jù)相乘得到的結(jié)果作為積的數(shù)值。

即：若，原=x0.x1x2xn，原=y0.y1y2yn

則：原原=（x0^y0）.（0.x1x2xn）（0.y1y2yn）

式中：0.x1x2xn為x的肯定值，

0.y1y2yn為y的肯定值。

因此，采納原碼形式進(jìn)行各種加法和乘法運(yùn)算時(shí)，計(jì)算機(jī)很簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算規(guī)章，不僅降低了程序的簡(jiǎn)單程度，而且更加直觀。

4仿真結(jié)果及分析

圖3是用并行方式實(shí)現(xiàn)子帶濾波器組算法的設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)ModelSim平臺(tái)得到的仿真波形圖。

圖3并行流水線實(shí)現(xiàn)算法的輸出波形圖

clk：時(shí)鐘信號(hào)；

fir_in：是濾波器數(shù)據(jù)的輸入端口；

fir_in_reg：是輸入數(shù)據(jù)存放的寄存器；

fir_out：是濾波器輸出的乘累加后的結(jié)果。

實(shí)際值：

fir_out=add_mul12+add_mul34=

1000_0101_0011_1101+10_1110_0111_0000_1001=11_0110_1100_0100_0110

fir_out=add_mul12+add_mul34=

1000_1101_1010_0001+10_0110_0110_1