【摘要】：隨著數(shù)字集成電路的不斷發(fā)展,電路規(guī)模與集成度不斷增大,而面積卻不斷減小,這一因素催生出了許多便攜式與可穿戴式設(shè)備等小型產(chǎn)品,這也意味著如今集成電路設(shè)計(jì)需要同時(shí)兼顧面積,延遲與功耗。例如在小型便攜式無(wú)線通訊設(shè)備中,電路不僅需要面積小,且需要滿足較高的工作速率,以及一定的功耗要求。上述指標(biāo)在本文中使用了功耗面積延遲積(Power-Delay-Area Product,PDAP)來(lái)衡量,PDAP越小意味著電路的能效越高。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response,FIR)數(shù)字濾波器作為數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing,DSP)系統(tǒng)中的基本單元,在諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,由于FIR數(shù)字濾波器的功耗在許多DSP系統(tǒng)中,尤其是通訊類DSP系統(tǒng),占了較大的比重,因此提高該類濾波器的能效對(duì)于設(shè)計(jì)高能效的DSP系統(tǒng)而言具有重要作用。在眾多FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中,基于查找表(Look-Up-Table,LUT)乘法的FIR數(shù)字濾波器有著工作速率高且動(dòng)態(tài)功耗低的特點(diǎn),因此已被廣泛應(yīng)用于如通訊領(lǐng)域等的便攜式設(shè)備中。本文以基于LUT乘法的FIR數(shù)字濾波器為基礎(chǔ),重新設(shè)計(jì)了濾波器內(nèi)部乘法運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu),并提出了一種針對(duì)LUT乘法運(yùn)算的優(yōu)化方法,即高位近似存儲(chǔ)(Approximate Most-significant-Multiples Storage,AMMS)方法。AMMS方法主要采用了進(jìn)行近似截位技術(shù)對(duì)LUT的存儲(chǔ)位寬進(jìn)行壓縮,并結(jié)合了新型LUT存儲(chǔ)方案對(duì)LUT的存儲(chǔ)容量進(jìn)行優(yōu)化。本文隨后以AMMS方法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種新型的LUT近似乘法器,并以該乘法器為基礎(chǔ)進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 FIR數(shù)字濾波器。本文的所有設(shè)計(jì)均使用了Verilog語(yǔ)言進(jìn)行編碼,并采用了180nm CMOS工藝的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)進(jìn)行綜合。與此同時(shí),本文使用了自建1.2V低電壓數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù),對(duì)所設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行了二次綜合優(yōu)化與后端版圖實(shí)現(xiàn),并完成了版圖流片前的所有檢查工作。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果,AMMS方法對(duì)LUT乘法器與FIR數(shù)字濾波器能效的提升是巨大的,當(dāng)LUT乘法器的規(guī)模為16×16比特時(shí),基于AMMS方法設(shè)計(jì)的乘法器比基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的乘法器能效高很多,前者的PDAP只有后者的25%左右。而在輸入與固定系數(shù)位寬均為8比特,濾波器階數(shù)為16階的FIR數(shù)字濾波器中,基于AMMS方法設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器同樣比基于傳統(tǒng)LUT乘法的FIR數(shù)字濾波器能效要高,前者的PDAP約為后者的70%。
【圖文】：

至ＬＵＴ中，即表２－２中為０的部分。由于需要存儲(chǔ)的乘法結(jié)果只有一半，逡逑ＬＵＴ占用的面積自然下降為原來(lái)的１／２。逡逑圖２－４展示了邋ＯＢＣ方法的電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，ＯＢＣ方法會(huì)將逡逑輸入的最高符號(hào)位單獨(dú)取出，并利用輸入的其他位進(jìn)行編碼并得到“ＬＵＴ中存儲(chǔ)逡逑數(shù)據(jù)的讀取地址”。從ＬＵＴ中讀取乘法結(jié)果后，ＯＭＳ方法會(huì)將該結(jié)果與輸入的符逡逑號(hào)位一并輸入到判斷模塊中，并決定下一步是進(jìn)行加法運(yùn)算還是減法運(yùn)算。如圖２－逡逑４所示，相對(duì)于使用傳統(tǒng)ＬＵＴ乘法運(yùn)算而言，，基于ＯＢＣ的ＬＵＴ乘法運(yùn)算將加法逡逑操作擴(kuò)展為了加減法操作，并額外增加了符號(hào)位控制模塊。ＯＢＣ方法并未針對(duì)采逡逑用二進(jìn)制補(bǔ)碼方式進(jìn)行表示的輸入進(jìn)行擴(kuò)展性的原理闡述，實(shí)際上當(dāng)輸入為二進(jìn)逡逑制補(bǔ)碼表示時(shí)，ＯＢＣ方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程略有不同，但也只是改變了編碼電路結(jié)構(gòu)，逡逑并不會(huì)對(duì)ＯＢＣ方法的整體效果產(chǎn)生很大影響。逡逑１邋］逡逑Ｘ１—／—？逡逑”邐１６－ｗｏｒｄ逡逑２＾？邋ＲＯＭ逡逑ｖ邋１邐（Ｔｏｐ邋Ｈａｌｆ邋ｏｆ邋＇逡逑ｘ３—／￣？邐Ｔａｂｌｅ邋ｔ）逡逑ｘ４—Ｖ－

ＯＭＳ方法與ＡＰＣ方法的效果一樣，且均適用于ＬＵＴ乘法器。不過(guò)ＯＭＳ方逡逑法比ＡＰＣ方法更為簡(jiǎn)單，因?yàn)榍罢咧恍枰~外的移位運(yùn)算電路，而不需要加減法逡逑運(yùn)算電路。ＯＭＳ的工作原理與電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分別如表２－４與圖２－６所示。逡逑表２－４邋ＯＭＳ方法的存儲(chǔ)策略逡逑＾地址￣逡逑，，，邋表示符號(hào)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)邋輸入邐乘法結(jié)果邐移位數(shù)邐移位碼逡逑？２邋ｗｌ邋ｄ0逡逑０００邋１邐Ａ邐０邐００逡逑００邋１邋０邐２１邋ｘＡ邐１邐０１逡逑０００邐Ｐｏ邐Ａ邐：邐逡逑０邐１００邐２２ｘＡ邐２邐１０逡逑邐１邋０００邐２３ｘＡ邐３邐１１逡逑００１邐１邐３Ａ邐０邐００逡逑００１邐Ｐｉ邐３Ａ邐０１１０邐２１邋ｘ３＾邐１邐０１逡逑邐１邋１邋００邐２２邋ｘ邋３Ａ邐２邐１０逡逑０邋１０邋１邐５Ａ邐０邐００逡逑０邋１０邐Ｐ２邐５Ａ邐；邐逡逑邐１０１０邐２ｘｘ５Ａ邐１邐０邋１逡逑０１１１邐１Ａ邐０邐００逡逑０邋１１邐Ｐ３邐１Ａ邐；邐逡逑邐１１１０邐２
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN713.7

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 周連方;夏銀水;王倫耀;;基于改進(jìn)的LUT乘法器的FIR濾波器設(shè)計(jì)[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版);2014年06期

2 鞠芳;馬昕;田嵐;;基于FPGA的數(shù)字乘法器性能比較[J];電子器件;2011年06期

3 閆永鵬;于海勛;;一種基于LUT的改進(jìn)FIR濾波器的設(shè)計(jì)[J];微電子學(xué);2010年05期

4 蔣俊華;王蓓;張婷;李宗惠;;基于FPGA的乘法器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J];河南機(jī)電高等�？茖W(xué)校學(xué)報(bào);2010年02期

5 王法棟;劉宇;;高階數(shù)字濾波器分布式算法結(jié)構(gòu)比較[J];聲學(xué)技術(shù);2009年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 周連方;低功耗FIR濾波器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[D];寧波大學(xué);2014年

2 鄭運(yùn)冬;基于FPGA的FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];復(fù)旦大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2684633