双通道格型滤波器组的多阶段乒乓串行复用硬件实现方法

本发明属于数字信号处理和数字硬件实现，具体涉及一种双通道格型滤波器组的多阶段乒乓串行复用硬件实现方法。

背景技术：

1、双通道格型滤波器组是多速率数字信号处理中的常用结构，可通过分析滤波器组将输入信号分解为两路子带信号，再由综合滤波器组完成信号重构，广泛应用于通信、音频处理、子带编码及小波变换等领域。格型滤波结构具有级联关系清晰、模块化程度高和适合定点硬件实现等特点。现有硬件实现通常将分析端和综合端的各格型级并行展开，为每一级分别配置乘法器、加减运算单元和寄存器。该结构能够获得较高的数据吞吐率，但随着格型级数增加，各级运算资源重复配置的问题更加明显，分析端和综合端同时展开时还会进一步增加乘法器、组合逻辑和寄存器的占用，不利于在硬件资源受限的平台上实现。

2、采用共享计算资源依次处理不同格型级，可以降低并行展开结构的资源开销，但将格型滤波器组改为串行复用结构时仍需解决若干问题。格型级之间不仅传递当前计算结果，还包含与级间延迟对应的历史状态；若串行调度过程中未按格型级分别保存和读取历史状态，可能使当前数据与错误的历史数据组合，导致串行计算结果不能保持原格型级联关系。普通串行结构还通常按照分析计算、综合计算和相位重组的顺序依次处理同一数据对，不同处理阶段之间存在等待，因而单个数据对所需处理周期较长，连续采样吞吐能力受到限制。此外，综合计算得到的两路相位数据需要按照与输入二相分解一致的顺序进行重组和尺度补偿；在连续采样条件下，若缺少输入允许、输出有效及溢出指示等控制，还可能出现输入数据到达时前一数据尚未完成处理、重构相位顺序错误或稳定输入采样间隔难以判断的问题。因此，需要一种能够兼顾格型级串行复用、各级历史状态保持、多阶段数据交叠处理以及相位重组与连续采样控制的双通道格型滤波器组硬件实现方法。

技术实现思路

1、针对双通道格型分析-综合滤波器组采用多级并行展开结构时乘法器、加减运算单元及寄存器重复配置较多，以及采用普通串行复用结构时各格型级历史状态难以正确保持、不同处理阶段存在顺序等待、相位重组与连续采样过程难以协调的问题，本发明提供一种基于多阶段乒乓串行的双通道格型滤波器组硬件实现方法。该方法在分级串行复用格型计算资源的基础上，通过各级状态保持和多阶段数据对乒乓缓存，使分析计算、综合计算及相位重组面向不同数据对交叠执行，从而降低硬件资源占用并提高连续采样吞吐能力。

2、所述方法包括以下步骤：

3、步骤1、对格型系数、归一化系数和输出补偿系数进行定点量化，并建立基于级索引的分析端正序取系数和综合端反序取系数关系。设格型滤波器组共有级格型单元，各级格型系数为，分析端归一化系数为，综合端输出补偿系数为。所述由各级格型系数共同确定，用于对输入信号进行归一化，的计算公式为：

4、

5、为适应定点硬件实现，设系数量化小数位数为，则第级格型系数、分析端归一化系数和综合端输出补偿系数可分别量化为：

6、

7、

8、

9、其中，表示四舍五入取整运算，为分析端归一化量化系数，为综合端补偿量化系数，量化后的格型系数按级序写入系数存储模块。在分析端，级索引控制模块根据级索引按正序读取；在综合端，级索引控制模块根据按反序读取。

10、原并行展开结构中，每一级分析格型单元和每一级综合格型单元分别设置独立乘法及加减运算资源；本发明将并行结构中独立分析格型单元和综合格型单元映射为共享分析格型计算模块和共享综合格型计算模块。每个共享格型计算模块在一个数据对的处理过程中，依据依次完成各级格型运算，从而将空间并行的多级计算关系转换为时间复用的逐级计算关系。

11、步骤2、利用步骤1得到的参数完成输入归一化、二相分解以及分析端和综合端的状态保持型分级串行计算，依次得到输入数据对、分析结果数据对和综合结果数据对。原始输入序列经分析端归一化后得到输入数据对：

12、

13、在定点硬件实现中，上述运算可通过乘法、舍入和右移实现：

14、

15、其中，表示定点舍入移位算子。二相分解模块将归一化输入序列分解为两路关联相位数据，得到输入数据对：

16、

17、对于分析端第i级格型计算，定义定点乘法算子：

18、

19、则分析端第i级格型运算关系为：

20、

21、其中，和表示分析端第级的输出数据，和表示分析端第级的输入数据。另外，分析端状态寄存器用于保存各格型级下支路历史结果。设第级分析端状态寄存器为，则当前级计算完成后可写入：

22、

23、下一格型级的输入由当前级上支路计算结果和对应级历史状态共同构成。由此，同一输入数据对不会在单一时钟周期内错误地组合贯穿全部格型级，而是按照原格型结构中的延迟关系逐级推进。完成第n-1级计算后，得到分析结果数据对：

24、

25、其中，,分别为分析端上支路和下支路的输出。

26、综合端采用与分析端相对应的反序系数读取关系。设综合端当前级为，其读取系数为：

27、

28、综合端第级格型计算关系为：

29、

30、其中，和表示综合端第级输出数据，和表示综合端第级输入数据。综合端状态寄存器用于保存各格型级上支路历史结果。设第级综合端状态寄存器为，则当前级计算完成后可写入：

31、

32、下一综合格型级由对应历史状态和当前级下支路计算结果共同驱动。完成第n-1级综合计算后，得到综合结果数据对：

33、

34、分别为综合端上支路和下支路的输出。

35、通过分析端和综合端各自的状态保持机制，使分级串行复用结构在降低多级独立计算资源的同时，保持双通道格型分析-综合滤波器组的级联状态关系。

36、步骤3、对步骤2形成的三类关联数据对分别进行乒乓缓存和原子读写，并通过读指针、写指针和占用计数产生读取有效及写入允许状态。为减少分级串行复用结构中分析计算、综合计算和相位重组之间的顺序等待，本发明在处理阶段边界设置三级数据对乒乓缓存单元，分别为输入数据对乒乓缓存单元、分析结果数据对乒乓缓存单元和综合结果数据对乒乓缓存单元。

37、所述三个乒乓缓存单元分别用于缓存以下关联数据对：

38、

39、

40、

41、每个乒乓缓存单元包括第一数据对存储位置、第二数据对存储位置、读指针、写指针和占用计数。数据对的两路分量作为一个整体进行写入、读取和释放，避免与、与、以及与被拆分到不同处理批次。

42、对于任一乒乓缓存单元，其读出有效条件和有效读出条件分别为：

43、

44、

45、其中，表示逻辑与运算，表示读取准备信号，当缓存单元当前占用计数小于两个数据对，或者当前时钟周期内存在有效读出操作时，允许写入新的数据对：

46、

47、其中，表示逻辑或运算，对应的有效写入操作为：

48、

49、当有效时，将待写数据对的两个分量同时写入指向的存储位置，并翻转；当有效时，下游模块同时读取所指向数据对的两个分量，并翻转。仅发生写入操作时，加1；仅发生读出操作时，减1；同一时钟周期内同时发生写入和读出操作时，保持不变。

50、当有效而无效时，表示两个数据对存储位置均被占用且当前周期未释放已有数据对，此时置位对应乒乓缓存单元的满载信号。通过上述原子数据对读写及同周期读写机制，两个存储位置能够交替使用，并在保持关联数据对完整性的同时为不同处理阶段之间的流水交叠提供数据缓存。

51、步骤4、根据步骤3产生的缓存状态及各处理模块的忙闲状态，调度分析计算、综合计算和相位重组面向不同数据对交叠执行，并根据任务完成情况更新各乒乓缓存状态。输入数据对乒乓缓存中存在有效数据对、共享分析格型计算模块处于空闲状态、且分析结果数据对乒乓缓存存在可写位置时，启动分析任务。其联合启动条件表示为：

52、

53、其中，表示输入数据对乒乓缓存非空，表示共享分析格型计算模块空闲，表示分析结果数据对乒乓缓存可写。

54、分析结果数据对乒乓缓存中存在有效数据对、共享综合格型计算模块处于空闲状态、且综合结果数据对乒乓缓存存在可写位置时，综合任务启动条件为：

55、

56、综合结果数据对乒乓缓存中存在有效数据对、且相位重组模块处于可接收状态时，相位重组任务启动条件为：

57、

58、其中，和分别表示分析结果数据对乒乓缓存和综合结果数据对乒乓缓存非空；和分别表示综合格型计算模块和相位重组模块空闲；表示综合结果数据对乒乓缓存可写。

59、在稳态处理过程中，共享分析格型计算模块可处理第组输入数据对，共享综合格型计算模块同时处理第组分析结果数据对，相位重组模块同时处理第组综合结果数据对，实现交叠执行。

60、当分析结果缓存暂时写满时，变为无效，分析端不会读取新的输入数据对；当综合结果缓存暂时写满时，变为无效，综合端不会读取新的分析结果数据对。通过该反压关系，可避免下游阻塞时上游提前释放数据，从而保持数据对顺序及阶段对应关系。

61、步骤5、根据步骤4的调度结果读取综合结果数据对，按照与步骤2一致的相位约定完成相位重组，并利用步骤1得到的综合端补偿量化系数形成最终滤波输出，同时完成连续采样条件下的有效、忙闲和溢出控制。相位重组模块按照与输入二相分解一致的相位约定，将综合输出数据对恢复为单路序列：

62、

63、输出补偿模块按照输出补偿系数对重构序列进行尺度恢复：

64、

65、在定点实现中，最终滤波输出可表示为：

66、

67、系统设置、、、和。其中，表示输入采样时刻；由输入数据对乒乓缓存的可写状态确定；表示共享分析格型计算模块、共享综合格型计算模块、相位重组模块或任一乒乓缓存中存在待处理数据对；表示最终滤波输出有效。

68、当输入数据对乒乓缓存、分析结果数据对乒乓缓存或综合结果数据对乒乓缓存无法写入新的关联数据对，或者相位重组模块无法接收综合结果数据对时，置位溢出指示。

69、本发明具有以下有益效果：

70、本发明通过级索引、系数存储和共享格型计算模块，将多级并行格型计算映射为串行复用计算流程，减少乘法器和加减逻辑重复配置。

71、本发明通过分析端和综合端状态寄存器组保存各级历史状态，使串行计算结果保持与原格型级联结构一致。

72、本发明通过输入、分析结果和综合结果的多阶段乒乓缓存，使分析、综合和相位重组能够对不同数据对重叠执行，提高普通串行复用结构的连续采样吞吐能力。

73、通过相位重组、输出补偿和吞吐控制，保证重构输出顺序正确，并为串行复用结构的稳定输入采样间隔提供判断依据。