利用Xilinx FPGA实现高效并行实时上采样

无需流水线化

图6显示的是使用免费的赛灵思WebPACK™工具[8]中提供的14.7版ISim仿真器对该VHDL模型进行仿真并将馈送图2中的采样/量化12位数据序列后得到的上采样数据序列。每个原始的12位样本均保持不变，原因上文已述。原始波形中每个实际样本之间插入了三个新样本。


图6 - 该图表显示的是VHDL模型生成的上采样数据序列

计算所得(上采样所得)值与原始模拟信号中理想值之间最大的误差为整个范围的0.464%，平均误差为整个范围的0.070%。当然因初始量化步骤原因，在采样/量化12位源矢量数据值中存在1/2 LSB的误差(合整个范围的0.012%)。

布局布线设计使用19个DSP48E1模块，但占用的Virtex-6 Slice资源不足1%，无需流水线化即可运行在107MHz下。

我们使用WebPACK工具14.7版在赛灵思XC6VLX75T-3FF484 Virtex-6 FPGA[7]上实现这一上采样器。布局布线设计占用该器件中288个DSP48E1模块中的19个，但使用的Slice资源不足1%。最终得到的上采样电路能够运行在107MHz下。无需让滤波器流水线化即可实现这一性能。此外，我们还开发出了用流水线实现的版本，可以工作在217MHz以上。

虽然XC6VLX75T-3FF484是赛灵思Virtex-6系列中的最低端成员，但芯片上仍集成有288个带有25x18位乘法器的DSP48E1模块。换言之，在理论上足以实现15个图4所示的并行上采样FIR滤波器。我们制作的原型环形阵列超声系统使用了八套以80MHz的频率运行在XC6VLX75T FPGA上的上采样器，在波束成形之前对来自八通道Analog Devices AD9670超声前端芯片的数据进行上采样处理。在该系统中，上采样器按仿真预测的方式运行，在以AD9670 ADC的基本时钟频率80MHz运行的情况下，能使用上采样到320MHz的数据实时完成波束成形。

最大型赛灵思Virtex-6 FPGA器件XC6VSX475T包含有2,016个25x18位乘法器，在理论上一个芯片就可以实现106个图4所示类型的上采样滤波器。

只要滤波器使用本文介绍的高效并行拓扑结构进行设计，就能够使用实现在工作频率为107MHz的赛灵思XC6VLX75T-3FF484 FPGA上的FIR滤波器完成M=4倍的实时上采样。原始数据样本将原封不动通过滤波器，并行产生(M-1)=3个上采样值。这种简明的FIR滤波器设计方法无需借助复杂精密的滤波器设计工具就能提供优异的结果。本文介绍的思路稍加拓展，就可以使用更大的因数进行上采样，或者是使用抽头数更多的FIR滤波器降低计算出的上采样值的误差。

这种简明的FIR滤波器设计方法无需借助复杂精密的滤波器设计工具就能提供优异的结果。

参考资料：

1. A.V. Oppenheim、R.W. Schafer，《离散时间信号处理》，Prentice Hall，新泽西州恩格尔伍德克利夫斯，1989年。

2. H. Stark、J.W. Woods、I. Paul，《使用直接傅里叶逆转换和最优插值法对计算机体层摄影术进行探讨》，IEEE生物医学工程通讯第28期，496到505页(1981年)。

3. R.W. Schafer、L.R. Rabiner，《插值的数字信号处理方法》，IEEE第61期会刊，692到702页(1973年)

4. R. Crochiere、L.R. Rabiner，《多速率数字信号处理》，Prentice Hall，新泽西州恩格尔伍德克利夫斯，1983年。

5. D. Pellerin、D. Taylor，《轻松VHDL设计》，Prentice Hall，新泽西州恩格尔伍德克利夫斯，1997年。

6. Analog Devices AD9670八通道超声AFE及数字解调器产品说明书，Sp0修订版，美国模拟器件公司，2013年。

7. Virtex-6系列总览2.3版(DS150)，赛灵思公司，2011年。

8. ISE深入教程13.1版(UG695)，赛灵思公司，2011年。

来源：赛灵思中国通讯54期