在 Xilinx FPGA 中使用 FIR IP 核做 LFM 匹配滤波(Matched Filter) 时,FIR 阶数往往非常高(几百到几千 taps),直接实现会占用大量 DSP48 乘法器。为了降低 FIR 使用的乘法器数量,可以从 结构、系数、采样率、算法 四个方面入手。
以下是最常用、最有效的优化手段:
✅ 一、利用系数特性降低乘法器需求
1. 利用匹配滤波器系数的共轭对称性(实系数卷积)
对于 LFM 匹配滤波器(即 LFM 的时反、共轭版本),其 包络往往趋近于对称结构。
如果 FIR 系数满足:
- 线性相位 FIR(对称或反对称)
则 FIR IP 支持 "Coefficient Symmetry" 模式
➡️ 一个 tap 的乘法器可以同时服务两个对称的 taps,乘法器数量减少约一半。
适用场景:
- LFM 信号是实信号(通常 true)
- 匹配滤波器不涉及复共轭(或使用 IQ 分路处理)
减少 DSP 数量:约 50%
2. 系数量化并使用 shift-add(移位加法)优化
若系数可量化为:
- powers-of-two(2^-n)
- small multiplier approximations
则 FIR IP 会自动将这些乘法转换为:
- 移位 + 加法结构(无 DSP)
减少 DSP:通常 10~30%
对系统性能影响小,但需要:
- 系数自动量化
- 误差控制(可在 MATLAB 中量化)
✅ 二、结构级减少乘法器数量
3. 使用多相结构(Polyphase)降低采样率前滤波器复杂度
如果匹配滤波是在 低采样率后执行,可使用:
- CIC + 半带滤波 + 降采样 → 减少 FIR 采样率
在采样率降低 R 倍时,FIR 的有效运算量 ↓ R 倍
➡️ 对应的 DSP 需求也减少 R 倍
适用场景:
- 下变频后基带
- 进行抽 decimation
减少 DSP:成倍减少(R 倍)
4. 使用半带滤波器(Halfband)减少乘法器
如果匹配滤波部分需要低通:
- 半带 FIR 一半系数 = 0
- 中间 tap = 0.5
可节省约 75% 的乘法器
但 LFM 匹配滤波器通常不是半带结构
适用于预处理,不用于最终 MF。
5. 使用 Interpolated FIR(IFIR)技术
如果脉冲压缩滤波器带宽相对狭窄:
- 先设计一窄带子滤波器 h1
- 再扩展为稀疏滤波器 h2
这可大幅减少 taps 数量
但需要较复杂设计过程。
DSP 节省:30~80%
✅ 三、降低算法层面的运算量(强烈推荐)
6. 使用 FFT 实现匹配滤波(频域卷积)
匹配滤波卷积:
y(n) = x(n) * h*(N-n)
可通过 FFT 实现为:
Y = FFT(x) · FFT(h)*
y = IFFT(Y)
关键优势:
- FIR 的卷积长度 N 大时(如 1024~4096),FFT 方式运算量比 FIR 少一个数量级
- 大幅减少 DSP 使用
- Xilinx 有 FFT IP,高效利用 BRAM + DSP
当 FIR taps > 256 时,FFT 更有优势
这是目前雷达、声呐系统常用的方式。
7. 使用子脉冲(Sub-pulse)匹配滤波
LFM 长时间宽带信号可以分段处理:
- 按固定长度切片(如 256 点 × M 段)
- 每段匹配滤波后再拼接
每段 FIR 数量减少
DSP 线性降低。
✅ 四、FIR IP 核内部设置降低 DSP 使用
8. 将 FIR IP 设置为共享 DSP 模式("Serial/Time-Multiplexed")
FIR IP 支持:
- 全并行模式:每 tap 一组乘加 → DSP 多
- 串行模式:时间复用少量 DSP
- Super-sample-rate (SSR) 模式
通过:
Number of Channels = 1
Optimization Goal = Minimum Mults
降低 DSP 使用,代价是:
- 多个时钟周期输出一个结果
- 增加处理延时,但对匹配滤波无影响
DSP 可减少 2~10 倍
📌 总结:降低 FIR DSP 资源最有效的方法
| 方法 | DSP减少比例 | 是否推荐 |
|---|---|---|
| 系数对称(线性相位) | 50% | ⭐⭐⭐⭐⭐ 必用 |
| 降采样后 FIR(多相) | 成倍减少 | ⭐⭐⭐⭐ 强烈推荐 |
| FFT 匹配滤波 | 数量级减少 | ⭐⭐⭐⭐⭐ 推荐之最 |
| Coef quantization | 10~30% | ⭐⭐⭐ |
| 串行共享 DSP | 2~10x | ⭐⭐⭐⭐ |
| IFIR | 30~80% | ⭐⭐⭐ |
| 半带 | 75%(限场景) | ⭐⭐ |