基于Python 的級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成方法*

何秋秀，李曉蓉，邵杰，卓琳

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035)

1 引言

在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，數(shù)字上下變頻是軟件無線電中收發(fā)機的核心部分，而利用級聯(lián)半帶濾波器進行采樣率的變換是數(shù)字上下變頻的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]，所以級聯(lián)半帶濾波器的設(shè)計開發(fā)顯得尤為重要。近年來，集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對電路的性能、面積、功耗及生產(chǎn)周期的要求不斷提高，利用自動化技術(shù)開發(fā)數(shù)字電路或者知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊已經(jīng)成為主流[4-7]。Python 是一種高級動態(tài)編程語言，擁有豐富的標準庫，在實現(xiàn)自動化方面有可擴展性、可移植性和可嵌入性等優(yōu)勢[5]，因此基于Python 的級聯(lián)半帶濾波器自動生成方法具有重要意義，可以加快設(shè)計速度，提高設(shè)計質(zhì)量。

本文基于Python 編程語言，結(jié)合級聯(lián)半帶濾波器和并行流水線結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種級聯(lián)半帶濾波器寄存器傳輸級（RTL）自動生成方法。

2 級聯(lián)半帶濾波器介紹

多速率數(shù)字信號處理系統(tǒng)通過插值提高信號的采樣速率，通過抽取降低信號的采樣速率。插值操作是先在已知抽樣序列的相鄰兩采樣點之間等間隔地插入M-1 個零值點，然后進行低通濾波，就可以得到M 倍插值的結(jié)果；抽取操作是先進行抗混疊濾波，然后每隔M-1 個采樣點抽取1 個采樣點，就可以得到M倍抽取的結(jié)果[8-10]。

半帶濾波器是一種實現(xiàn)數(shù)字上下變頻的高效濾波器，其時域離散方程為[11]：

式中x(n)為半帶濾波器的輸入信號，n 為單位時間，h(i)為半帶濾波器系數(shù)，L 為半帶濾波器長度，y(n)為半帶濾波器的輸出信號。

半帶濾波器主要有以下特點：1）通帶和阻帶對稱，通帶容限和阻帶容限相等；2）系數(shù)偶對稱，且半帶濾波器長度為偶數(shù)（階數(shù)為奇數(shù)）；3）所有大于0 的偶數(shù)序列的沖擊響應(yīng)值均為0。半帶濾波器的特性大大降低了濾波運算所需的乘法次數(shù)和加法次數(shù)，所以半帶濾波器特別適合2 倍的插值或者抽取，而且計算效率高，實時性強。

半帶濾波器特殊的頻率響應(yīng)特性使其非常適合2N倍插值或者抽取的多速率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[12-13]。通過采用多個半帶濾波器級聯(lián)的方式，即可十分方便地實現(xiàn)高插值率轉(zhuǎn)換或者高抽取率轉(zhuǎn)換。3 個半帶插值濾波器級聯(lián)可實現(xiàn)8 倍的插值；4 個半帶抽取濾波器級聯(lián)可實現(xiàn)16 倍的抽取。

3 級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成設(shè)計

級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成設(shè)計流程如圖1所示，首先讀取設(shè)計需求參數(shù)，創(chuàng)建Python 字典對象，將設(shè)計參數(shù)存儲于此字典對象中；然后讀取字典對象中的設(shè)計參數(shù)，獲取級聯(lián)半帶濾波器類型參數(shù)；若類型參數(shù)為“插值”，則依次生成插值時鐘、單級半帶插值濾波器、N 級級聯(lián)半帶插值濾波器和插值內(nèi)建自測單元；若類型參數(shù)為“抽取”，則依次生成抽取時鐘、單級半帶抽取濾波器、N 級級聯(lián)半帶抽取濾波器和抽取內(nèi)建自測單元。

圖1 級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成設(shè)計流程

3.1 級聯(lián)半帶插值濾波器RTL 自動生成設(shè)計

3.1.1 單級半帶插值濾波器RTL 自動生成

單級半帶插值濾波器生成單元由延時生成器、加法生成器、乘法生成器和求和生成器組成。生成的單級半帶插值濾波器為2 路輸入4 路輸出的4 路并行結(jié)構(gòu)，圖2 為其設(shè)計框圖。

圖2 單級半帶插值濾波器RTL 自動生成設(shè)計框圖

延時生成器生成延時單元的RTL 代碼，通過調(diào)用Python 中的readline()函數(shù)逐行讀取需求參數(shù)中的輸入數(shù)據(jù)位寬和延時周期數(shù)，再利用write()函數(shù)生成延時單元的輸入輸出信號和always 延時結(jié)構(gòu)，濾波器的兩路輸入為A0 和A1，則A0 經(jīng)過延時得到A(n-0),A(n-4), …, A(n-4k)，A1 經(jīng)過延時得到A(n-2),A(n-6),…,A(n-4k+2)。

加法生成器生成加法單元的RTL 代碼，讀取輸入數(shù)據(jù)位寬和半帶濾波器長度參數(shù)，再利用write()函數(shù)生成加法單元的輸入輸出信號和always 加法結(jié)構(gòu)，加法結(jié)構(gòu)將系數(shù)相同的兩個延時項相加，即adder1=A(n-0)+A(n-4k),adder2=A(n-2)+A(n-4k+2),…，共需計算k 次。

乘法生成器生成乘法單元的RTL 代碼，讀取加法器位寬、半帶濾波器長度、半帶濾波器系數(shù)位寬以及定點系數(shù)值，再利用write()函數(shù)生成乘法單元的輸入輸出信號和always 乘法結(jié)構(gòu)，乘法結(jié)構(gòu)將加法單元的結(jié)果與對應(yīng)的半帶濾波器系數(shù)相乘，即mult1=adder1×coeff1,mult2=adder2×coeff2,…，共需計算k 次。

求和生成器生成求和單元的RTL 代碼，讀取乘法器位寬、半帶濾波器長度和加法流水線級數(shù)，再利用write()函數(shù)生成求和單元的輸入輸出信號和always 求和結(jié)構(gòu)，求和結(jié)構(gòu)將所有的乘積項相加求和，即sum=mult1+mult2+…+multk。

3.1.2 級聯(lián)半帶插值濾波器RTL 自動生成

級聯(lián)半帶插值濾波器RTL 自動生成設(shè)計包括插值時鐘生成單元、N 級級聯(lián)半帶插值濾波器生成單元和插值內(nèi)建自測生成單元，圖3 為其設(shè)計框圖。

圖3 級聯(lián)半帶插值濾波器RTL 自動生成設(shè)計框圖

插值時鐘生成單元生成插值時鐘的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成插值時鐘單元的端口信號和always計數(shù)分頻結(jié)構(gòu)，計數(shù)分頻結(jié)構(gòu)將源時鐘2、4、8…分頻。插值時鐘單元為各級半帶插值濾波器提供時鐘信號，各級半帶插值濾波器的時鐘分頻比分別為2N+1,2N,…,4。

N 級級聯(lián)半帶插值濾波器生成單元生成N 級級聯(lián)半帶插值濾波器的RTL 代碼，通過調(diào)用Python 中的readline () 函數(shù)讀取需求參數(shù)中的最大插值倍數(shù)，write()函數(shù)生成N 個單級半帶插值濾波器并實例化，各個半帶插值濾波器首尾依次相連，得到最終N 級級聯(lián)的半帶插值濾波器；N=lb (max_interp)，其中max_interp 為最大插值倍數(shù)。

插值內(nèi)建自測生成單元由斜坡測試生成器和脈沖測試生成器組成。斜坡測試生成器生成斜坡測試單元的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成斜坡測試單元的輸入輸出信號和always 加一結(jié)構(gòu)，加一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)斜坡的產(chǎn)生。脈沖測試生成器生成脈沖測試單元的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成脈沖單元的輸入輸出信號和always 計數(shù)結(jié)構(gòu)，計數(shù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)計數(shù)到指定值之后輸出高脈沖功能。

3.2 級聯(lián)半帶抽取濾波器RTL 自動生成設(shè)計

3.2.1 單級半帶抽取濾波器RTL 自動生成

單級半帶抽取濾波器生成單元由乘法生成器和求和生成器組成。單級半帶抽取濾波器為4 路輸入2路輸出的4 路并行結(jié)構(gòu)，圖4 為其設(shè)計框圖。

圖4 單級半帶抽取濾波器RTL 自動生成設(shè)計框圖

乘法生成器生成乘法單元的RTL 代碼，通過調(diào)用Python 中readline()函數(shù)逐行讀取需求參數(shù)中的輸入輸出數(shù)據(jù)位寬，計算乘法器個數(shù)和乘法器輸出位寬，再利用write()函數(shù)生成乘法單元的端口信號和always乘法結(jié)構(gòu)，乘法結(jié)構(gòu)將輸入數(shù)據(jù)與對應(yīng)的濾波器系數(shù)相乘，即mult1=din1×coeff1,mult2=din2×coeff2,…，共需計算k 次。

求和生成器生成求和單元的RTL 代碼，首先讀取加法位寬參數(shù)，計算相加次數(shù)，再利用write()函數(shù)生成加法單元的端口信號和奇偶相位的always 加法結(jié)構(gòu)，加法結(jié)構(gòu)將所有的乘積項相加求和，即sum=mult1+mult2+…+multk。

3.2.2 級聯(lián)半帶抽取濾波器RTL 自動生成

級聯(lián)半帶抽取濾波器RTL 自動生成設(shè)計實現(xiàn)包括抽取時鐘生成單元、N 級級聯(lián)半帶抽取濾波器生成單元和抽取內(nèi)建自測生成單元，圖5 為其設(shè)計框圖。

圖5 級聯(lián)半帶抽取濾波器RTL 自動生成設(shè)計框圖

抽取時鐘生成單元生成抽取時鐘的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成抽取時鐘單元的端口信號和always計數(shù)分頻結(jié)構(gòu)，計數(shù)分頻結(jié)構(gòu)將源時鐘2、4、8…分頻。時鐘單元為各級半帶抽取濾波器提供時鐘信號，各級半帶抽取濾波器的時鐘分頻比分別為4, 8, …,2N+1。

N 級級聯(lián)半帶抽取濾波器生成單元生成N 級級聯(lián)半帶抽取濾波器的RTL 代碼，通過調(diào)用Python 中readline()函數(shù)讀取需求參數(shù)中的最大抽取倍數(shù)，write()函數(shù)生成N 個單級半帶抽取濾波器并實例化，各個半帶抽取濾波器首尾依次相連，得到最終N 級級聯(lián)的半帶抽取濾波器，N=lb(max_decim)，其中max_decim 為最大抽取倍數(shù)。

抽取內(nèi)建自測生成單元由斜坡測試生成器和脈沖測試生成器組成。斜坡測試生成器生成斜坡測試單元的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成斜坡測試單元的輸入輸出信號和always 加一結(jié)構(gòu)，加一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)斜坡的產(chǎn)生。脈沖測試生成器生成脈沖測試單元的RTL 代碼，調(diào)用write()函數(shù)生成脈沖單元的輸入輸出信號和always 計數(shù)結(jié)構(gòu)，計數(shù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)計數(shù)到指定值之后輸出高脈沖功能。

4 試驗結(jié)果與討論

本文自動生成了一個級聯(lián)半帶插值濾波器和一個級聯(lián)半帶抽取濾波器，并利用Cadence 公司的NC-Verilog 仿真器在Verilog 環(huán)境下進行邏輯功能仿真。利用內(nèi)建自測單元生成的斜坡信號或者脈沖信號以及利用Matlab 中的sine 函數(shù)生成的正弦信號作為測試激勵，用Simvision 工具查看仿真波形，最后使用Synopsys 公司的邏輯綜合（DC）工具進行電路綜合。以下分別介紹自動生成的級聯(lián)半帶插值濾波器和級聯(lián)半帶抽取濾波器的仿真驗證和電路綜合情況。

4.1 仿真驗證

4.1.1 自動生成級聯(lián)半帶插值濾波器

級聯(lián)半帶插值濾波器的設(shè)計需求參數(shù)如表1 所示，它包括4 級單級的半帶插值濾波器，每級都能夠?qū)崿F(xiàn)2 倍插值，總體的級聯(lián)半帶插值濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)16、8、4、2 倍插值。當4 級全部使能時，實現(xiàn)16 倍插值；當使能前3 級時，實現(xiàn)8 倍插值；當使能前2級時，實現(xiàn)4 倍插值；當只使能第1 級時，實現(xiàn)2 倍插值。

表1 級聯(lián)半帶插值濾波器的設(shè)計需求參數(shù)

配置級聯(lián)半帶插值濾波器的插值因子為16，仿真時序如圖6 所示，din_1 和din_2 是2 路并行的16 位輸入數(shù)據(jù)，dout_1、dout_2、dout_3 和dout_4 是4 路并行的16 位輸出數(shù)據(jù)，data_combine 是4 路并行輸出數(shù)據(jù)合并的1 路串行輸出數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過級聯(lián)半帶插值濾波器后，輸出數(shù)據(jù)的速率變?yōu)檩斎霐?shù)據(jù)的16倍，證明了生成的級聯(lián)半帶插值濾波器功能的正確性。

圖6 級聯(lián)半帶插值濾波器仿真時序

4.1.2 自動生成級聯(lián)半帶抽取濾波器

級聯(lián)半帶抽取濾波器的設(shè)計需求參數(shù)如表2 所示，它包括4 級單級的半帶抽取濾波器，每級都能夠?qū)崿F(xiàn)2 倍抽取，總體的級聯(lián)半帶抽取濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)16、8、4、2 倍抽取。當4 級全部使能時，實現(xiàn)16 倍抽??；當使能后3 級時，實現(xiàn)8 倍抽?。划斒鼓芎? 級時，實現(xiàn)4 倍抽取；當只使能第4 級時，實現(xiàn)2 倍抽取。

表2 級聯(lián)半帶抽取濾波器的設(shè)計需求參數(shù)

配置級聯(lián)半帶抽取濾波器的抽取因子為16，仿真時序如圖7 所示，din_1、din_2、din_3 和din_4 是4 路并行的16 位輸入數(shù)據(jù)，dout_1 和dout_2 是2 路并行的16 位輸出數(shù)據(jù)，data_combine 是2 路并行輸出數(shù)據(jù)合并的1 路串行輸出數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過級聯(lián)半帶抽取濾波器后，輸出數(shù)據(jù)的速率變?yōu)檩斎霐?shù)據(jù)的1/16，證明了生成的級聯(lián)半帶抽取濾波器功能的正確性。

圖7 級聯(lián)半帶抽取濾波器仿真時序

4.2 電路綜合

為了進一步證明該方法的有效性，將自動生成的RTL 代碼和手動設(shè)計的RTL 代碼進行對比分析?；赥SMC 65 nm 工藝，使用Synopsys 公司的DC 工具進行電路綜合，對比分析在相同的條件下，兩者的寄存器需求、關(guān)鍵路徑延遲、面積及功耗等指標。級聯(lián)半帶插值濾波器電路和級聯(lián)半帶抽取濾波器電路綜合對比結(jié)果分別如表3 和表4 所示。

表3 級聯(lián)半帶插值濾波器電路綜合對比結(jié)果

表4 級聯(lián)半帶抽取濾波器電路綜合對比結(jié)果

電路綜合對比結(jié)果表明，在TSMC 65 nm 工藝下，最高工作頻率為1 000 MHz 時，自動生成的級聯(lián)半帶插值濾波器的關(guān)鍵路徑延遲為3.962 ns，面積為80 338 μm2；手動設(shè)計的級聯(lián)半帶插值濾波器的關(guān)鍵路徑延遲為3.963 ns，面積為80 421 μm2。自動生成的級聯(lián)半帶抽取濾波器的關(guān)鍵路徑延遲為3.964 ns，面積為65 938 μm2；手動設(shè)計的級聯(lián)半帶抽取濾波器的關(guān)鍵路徑延遲為3.964 ns，面積為65 963 μm2。自動生成的級聯(lián)半帶濾波器RTL 的時序和資源消耗與手動設(shè)計的RTL 代碼基本一致，證明了本文基于Python的級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成方法的有效性。

5 結(jié)論

本文基于Python 編程語言，結(jié)合級聯(lián)半帶濾波器和并行流水線結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種級聯(lián)半帶濾波器RTL 自動生成方法。試驗結(jié)果證明了本文提出的方法能夠自動生成任意N 級級聯(lián)的半帶插值濾波器或者半帶抽取濾波器，生成的濾波器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)2N倍的插值或者抽取，而且還含有內(nèi)建自測單元，能對級聯(lián)半帶濾波器進行斜坡和脈沖測試，實現(xiàn)了可測試性設(shè)計，提升了設(shè)計效率，縮短了開發(fā)周期。

現(xiàn)有的級聯(lián)半帶插值濾波器或級聯(lián)半帶抽取濾波器都是固定的結(jié)構(gòu)，而針對不同應(yīng)用需求，基于性能參數(shù)智能評估，自動生成不同結(jié)構(gòu)的級聯(lián)半帶濾波器將是今后優(yōu)化的重點。