Современные информационные технологи/1.Компьютерная инженерия
Зианбетов Э.И., Малахов В.П.,
Ситников В.С.
Одесский национальный политехнический университет,
Украина
Анализ методов
построения и технических решений элементов быстродействующего цифрового фильтра
на ПЛИС
Современное состояние развития технических систем управления требует повышения точности и качества обработки сигналов. Применение известных методов обработки сигналов в системах реального времени ограничено из-за невысоких вычислительных возможностей микропроцессорной техники [1].
Поэтому целью работы является анализ методов построения элементов быстродействующего цифрового фильтра на ПЛИС и его техническая реализация.
Основой
цифровой обработки сигналов являются простые математические операции. В
частности самые характерные для этой области операции умножения с накоплением,
простое суммирование, умножение и сдвиг [2]. Вычисление результата этих
операций можно получить двум методами: аппаратно ориентированным и программно
ориентированным.
Аппаратные
методы в свою очередь делятся на :
- алгоритмические
- табличные
-
таблично-алгоритмические
Алгоритмические
методы включают в себя методику построения структур устройств и основаны на
использовании вычислительных операций типа сложение, вычитание, умножение и
деление.
Табличные
методы основываются на использовании ПЗУ, которые формируют выходную функцию в
зависимости от входных данных. Причем, чем больший объем ПЗУ используется, тем
проще операционная часть алгоритмического устройства.
Таблично-алгоритмические
методы сочетают в себе невысокую программную, аппаратную и временную сложности
и небольшой размер таблиц ПЗУ.
Применительно
к аппаратной реализации устройства, могут разделяться по способу обработки
информации:
- матричные,
векторные и конвейерные процессоры;
- мультимикропроцессорные
системы на основе серийных микропроцессоров;
- мультимикропроцессорные
системы на основе нетрадиционных архитектур (динамическая архитектура);
- системы,
построенные из двух неоднородных систем (серийный процессор в комбинации с ЦСП)
;
На сегодняшний
день задачи ЦОС решаются с использованием различных аппаратных средств:
- микропроцессорные комплекты;
- микроконтроллеры;
- цифровые сигнальные процессоры;
- программируемые логические интегральные схемы;
Они могут применяться,
как по отдельности, так и в различной комбинации. Каждый способ имеет
собственные преимущества и недостатки и разработчики, в зависимости от
поставленной перед ними задачи сам определяет нужное решение. Задачи, которые
будут поставлены в данной работе, будут в основном направлены на повышение
быстродействия вычислительных процессов в фильтрах, поэтому будут
рассматриваться в основном реализации на ПЛИС.
Одним из стандартных подходов на сегодняшний день к реализации систем
цифровой обработки сигналов является использование цифровых сигнальных
процессоров, которые используют специализированные команды векторной
арифметики, широко применяемой в реализации нерекурсивных фильтров.
Достоинствами такого подхода являются простота реализации алгоритма обработки,
сокращение времени проектирования, низкая себестоимость реализации алгоритма.
Архитектура сигнальных процессоров строится в соответствии с гарвардским типом
реализации вычислительных систем. При этом решение уравнения фильтрации ведется
чаще всего последовательно, что не позволяет получить высокое быстродействие [3-6].
Однако для
задач обработки сигналов, решаемых на современном этапе развития электроники,
такие показатели производительности обработки уже не могут считаться
удовлетворительными. Поиск возможных решений пошел в направлении создания
цифровых устройств и систем на микросхемах с перестраиваемой структурой.
Программируемые логические интегральные схемы позволяют реализовать
параллельные вычисления с практически произвольной разрядностью коэффициентов и
данных, а также разместить на одной микросхеме вычислительную и управляющую
части системы. При этом из-за особенностей архитектурной организации микросхемы
ПЛИС нельзя рассматривать как простые логические микросхемы. Современные
кристаллы ПЛИС включают в себя специализированные аппаратные блоки (умножители,
арифметико-логические устройства), которые оптимизированы для использования в
нужных нам задачах. Данные блоки имеются на кристалле в достаточном количестве
для реализации параллельных вычислений. Так, например, кристалл Virtex 5
XC5VLX30-3FF324, при выполнении одной операции умножения с накоплением,
позволит оперировать с операндами разрядностью 48 бит при использовании всего
лишь 11 аппаратных блоков DSP48E. Производительность будет
составлять 81,58 MIPS.
Проанализировав
алгоритм работы нерекурсивного фильтра можно сделать вывод, что используется
три типа цифровых устройств:
- многоразрядным сдвиговым
регистром – для операции задержки сигнала на один такт;
- векторным двоичным
умножителем – для операции умножения на коэффициенты фильтра;
- векторным двоичным
сумматором – для операции сложения отсчетов и формирования выходного сигнала.
Следовательно
для повышения призводительности системы в целом надо добиваться повышения
производительности отдельных элементов. Для сумматоров можно выделить два
направления повышения быстродействия:
-
уменьшение задержки распространения сигнала по тракту
переноса внутри сумматора;
-
уменьшение или исключения влияния разрядности операндов
на величину максимального времени суммирования с момента подачи слагаемых.
Для умножителей можно выделить также два направления:
-
логические методы;
-
аппаратные методы.
Тогда с целью повышения быстродействия необходимо решить
следующие задачи:
-
анализ существующих методов построения сумматоров и
умножителей для задач ЦОС;
-
исследование структурных особенностей построения
сумматоров и умножителей и их реализации на ПЛИС;
-
моделирование и экспериментальная проверка существующих и
новых методов построения (в частности сравнения производительности блока DSP48E с собственными структурами);
Литература
1. Малахов В.П., Ситников В.С.,
Ядвичук П.В. Реализация быстродействующего цифрового фильтра на ПЛИС //
Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2004. — № 4. — С. 3-8.
2. Meyer-Base, Uwe Digital signal processing
with field programmaиду gate arrays : with 57 tables / - Berlin; Heidelberg; Tokyo; New
York; Barcelona; Hong Kong; Milan; Paris: Singapore: Springer, 2001
6. Пухальский Г.И., Новосельцева
Т.Я. Цифровые устройства. — СПб.: Политехника. — 1996. — 885 с.