CSE优化算法降低FIR滤波器FPGA资源消耗：32阶低通滤波器设计与实现

本文档探讨了FIR滤波器的CSE( Common Subexpression Elimination, 共同子表达式消除)优化算法在FPGA实现中的应用。FIR滤波器是一种常用的数字信号处理技术，其性能取决于大量的乘法运算，这在硬件资源有限的FPGA中可能会造成较大的消耗。为了减少这种消耗，研究者在已有的水平共同子表达式消去算法和垂直共同子表达式消去算法基础上，提出了一个改进的CSE算法。 优化CSE算法的主要目标是通过识别和消除滤波器运算中的重复计算，实现资源的有效复用。该算法旨在减少逻辑门的数量，降低电路复杂度，从而节省宝贵的FPGA资源，包括LUTs( Look-Up Tables)和FFs( Flip-Flops)。作者使用DSP Builder这一工具来构建模型，利用其图形化界面设计了一个32阶的低通有限长单位冲激响应滤波器。这种方法直观易用，有助于简化设计过程。 模型设计完成后，通过Modelsim和Quartus II这两个模拟和验证工具进行仿真。仿真结果显示出优化CSE算法带来的显著优势：相较于传统的CSE算法，优化后的FIR滤波器在保持滤波性能的同时，使用了更少的逻辑单元，这意味着硬件资源得到了更高效的利用。此外，相比于直接乘法实现和分布式实现方式，优化设计的滤波器在硬件资源节省方面更为明显。 最后，作者将优化后的FIR滤波器成功地移植到ALTERA公司的DE2开发板上进行了硬件实现。实际硬件测试证实了滤波器在硬件上的性能与仿真结果一致，证明了优化算法的有效性和实用性。 总结来说，本文的核心内容是介绍了一种针对FPGA的FIR滤波器设计策略，通过优化CSE算法提高了滤波器的资源效率，并通过实验验证了优化算法在减少硬件资源占用、提升系统性能方面的成效。这对于在资源受限的FPGA平台上实现高效信号处理任务具有重要的实践价值。