基于子项共享技术的低功耗FIR滤波器设计方法研究

Digital finite impulse response (FIR) filters are essential components in the portable digital devices such as hearing-aid, cellphone, and portable ECG measuring instrument. In order to save the cost and increase battery life for these portable digital products, it is necessary to design FIR filter with low power consumption. Existing algorithms mainly focus on how to reduce the adder cost of FIR filter. However, the power consumption of FIR filter is not only related to the adder cost but also the adder depth. Therefore, this project firstly will build a power model of FIR filter which could take both adder cost and logic depth into account; then this power model will be incorporated into the filter coefficient optimization process to guide the search program to find a coefficient set with lowest power consumption. Besides that, the existing single-stage FIR design method will be extended to design multiple-stage FIR filters for the further reduction of the power consumption.

FIR滤波器广泛地应用于携式电子产品，如助听器，手机，便携式心电图测量仪等。为了提高这些便携式电子产品的待机时间，降低FIR滤波器的功耗变得尤为重要。现有的低功耗FIR滤波器设计研究主要集中于如何降低滤波器硬件实现所需的加法器个数。 然而，滤波器的功耗不仅与加法器的数目相关而且与加法器的逻辑深度也非常相关。因此，本项目首先拟研究建立一个新型的功耗模型， 其能综合反映加法器个数以及其逻辑深度对功耗的影响。然后，以功耗指标作为的目标函数，运用子项共享与滤波器离散系数设计相结合算法搜索出最低功耗的FIR滤波器系数组以及相应的加法-移位网络。此外，由于多级结构FIR滤波器具有低功耗特征，本项目还将研究如何设计多级结构的低功耗FIR滤波器。

FIR滤波器广泛地应用于携式电子产品，如助听器，手机，便携式心电图测量仪等。为了提高这些便携式电子产品的待机时间，降低FIR滤波器的复杂度得尤为重要。本项目中，我们主要聚焦在低复杂度低功耗的数字FIR滤波器的结构开发以及相应的优化算法设计。本项目所取得的主要研究成果总结如下：1）提出了一种基于重定时的固定系数有限冲击响应滤波器结构，包括乘积累加单元，乘积累加单元完成乘积的延时与累加；所述乘积累加单元由一个加法器分割为两个子加法器，且分割后的两个子加法器进行寄存器重定时。所提出的FIR滤波器结构通过对多常系数乘法单元加法器与累加单元加法器的合理分割与重定时，大大减少了整个FIR滤波器电路的关键路径延时，从而提高了整个FIR滤波器电路的性能。同时，由于在进行加法器分割与重定时时最大限度的降低了所引入的额外寄存器的数目，所以本项目在提高滤波器电路性能的同时保证了整个电路的低硬件复杂度，进而可保证较低的静态功耗。2）我们还提出了一种基于结构加法器顺序重编排的低复杂度FIR滤波器结构，包括乘法模块和乘积累加模块，所述乘积累加单元完成乘积的延时与累加；所述乘积累加单元在完成乘积的延时与累加过程中，对乘系数乘法的乘积先在本地数个相加，然后再进行累加。该结构可以在不明显增大关键路径长度的情况下有效的减小滤波器的全加器的个数，从而降低硬件复杂度，从而降低电路功耗3）传统的滤波器系数优化算法只考虑优化MCM模块的功耗消耗，忽略了乘积累加模块对整个滤波器功耗的影响。基于此发现，我们提出了一种基于乘积累加模块的功耗模型，并把模型嵌入到我们的优化算法中用以指导优化算法搜索出最优的滤波器系数组，从而进一步降低滤波器的复杂度。4)针对基于矩阵的多常系数乘法优化方法的数字FIR滤波器实现优化方法的的不足，本项目提出了基于乘法模块与乘积累加模块共同优化的混合型FIR滤波器设计方法，通过共同优化乘法模块与乘积累加模块，找出最优的L值，从而进行最优的滤波器系数分组，从而实现最优的混合型FIR滤波器。