[论文解读] VLSI Implementation of Cascaded Integrator comb filters for DSP applications

Rozita Teymourzadeh, Masuri Othman|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2018

Advanced Control Systems Design参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于DSP应用的高速VLSI级联积分-梳状（CIC）滤波器实现，通过无乘法器架构和流水线结构，结合改进型进位前瞻加法器，提升了速度与效率。该设计实现了低功耗与低复杂度，经由MATLAB Simulink与Verilog HDL验证，适用于Σ-Δ调制器中的高速抽取。

ABSTRACT

The recursive comb filters or Cascaded Integrator Comb filter (CIC) are commonly used as decimators for the sigma-delta modulators. This paper presents the VLSI implementation, analysis and design of high-speed CIC filters which are based on a low-pass filter. These filters are used in the signal decimation which has the effect on reducing the sampling rate. It is also chosen because its attractive property of both low power and low complexity since it does not require a multiplier. Simulink toolbox available in Matlab software which is used to simulator and Verilog HDL coding help to verify the functionality of the CIC filters. Design procedures and examples are given for CIC filter with emphasis on frequency response, transfer function and register width. The implementation results show using Modified Carry Look-ahead Adder for summation and also apply pipelined filter structure enhanced high speed and make it more compatible with DSP applications.

研究动机与目标

• 设计一种适用于DSP应用的高速、低复杂度CIC滤波器架构。
• 通过递归梳状滤波器结构减少功耗并消除乘法器。
• 利用流水线滤波器架构与改进型进位前瞻加法器提升处理速度。
• 通过MATLAB Simulink与Verilog HDL验证功能，以支持VLSI实现。
• 优化寄存器宽度与频率响应，以提升滤波器性能。

提出的方法

• 基于低通响应设计级联积分-梳状滤波器，用于信号抽取。
• 实现无乘法器结构，以降低硬件复杂度与功耗。
• 应用流水线架构以提高时钟频率与吞吐量。
• 使用改进型进位前瞻加法器，加速滤波器级中的求和操作。
• 通过MATLAB Simullik与Verilog HDL进行功能验证，并使用Verilog HDL进行综合设计。
• 优化寄存器宽度，分析频率响应与传递函数，以确保滤波器精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在VLSI中实现无乘法器的CIC滤波器以实现高速运行？
• RQ2 流水线对CIC滤波器架构的吞吐量与时序有何影响？
• RQ3 改进型进位前瞻加法器如何提升CIC滤波器级中的求和速度？
• RQ4 在CIC滤波器中，平衡精度与硬件面积的最优寄存器宽度是什么？
• RQ5 频率响应与传递函数特性如何影响滤波器在抽取应用中的性能？

主要发现

• 所提出的CIC滤波器通过流水线与改进型进位前瞻加法器实现高速运行。
• 无乘法器设计显著降低了硬件复杂度与功耗。
• Simulink与Verilog HDL仿真结果确认了功能正确性与设计完整性。
• 流水线结构使滤波器表现出更高的吞吐量与更低的传播延迟。
• 通过分析确定了最优寄存器宽度，以在精度与面积效率之间取得平衡。
• 成功分析了频率响应与传递函数，确认其具备适用于抽取的低通滤波特性。