如何使用HLS加速FPGA上的FIR滤波器

描述

介绍

借助Vitis 高层次综合 (HLS) ，FPGA 的一般开发时间可以大大缩短。

在此项目中，将展示如何使用 HLS 加速 FPGA 上的 FIR 滤波器。

在之前关于使用 HLS 运行简单神经网络的博客文章中，展示了使用 Pynq 的 KV260 的设置过程。

所有数据和预建硬件都在随附的GitHub 存储库中

基础知识

在数字信号处理中，有限脉冲响应 (FIR) 滤波器对任何给定的有限输入信号都有有限响应。FIR 滤波器由抽头延迟线构成，用于将输入信号延迟给定数量的抽头 ( N )。z^{-1} 是Z 变换的延迟运算符

 

滤波器系数可以排列在脉冲响应向量中。

 

输出信号可以用

 

或短

 

这与输入信号与脉冲响应的卷积相同

 

对于滤波器设计，使用了关于使用 python 进行低通 FIR 滤波器设计的 Scipy Cookbook 。

过滤器设计有具有以下特性的凯撒窗：

• 10 Hz 的截止频率 ( f_c )
• 5 Hz 的过渡宽度 ( Δf )
• 60 dB 的阻带纹波 (A_stop)

带 Kaiser 窗口的过滤器设计。自己的演讲，灵感来自标题={信号处理导论}，出版商={Prentice Hall}，作者={Orfanidis, Sophocles J.}，年份={1998}

 

该食谱已针对该项目进行了改编fir.py

系数：

 

频率响应：

 

过滤后的信号：

最后的图显示了原始信号（细蓝线）、滤波信号（通过适当的相位延迟移动以与原始信号对齐；细红线）和滤波信号的“好”部分（粗绿线） . “好的部分”是信号中不受初始条件影响的部分。

 

在食谱中，scipy 函数scipy.signal.lfilter()用于过滤信号。一个纯的和非优化的 python（使用 NumPy）实现看起来像：

 

高级合成

对于 HLS 部分，我们使用 74 抽头滤波器过滤长度为 1024 的信号。在没有并行性的情况下，我们需要大约 75k 个周期来过滤信号。

HLS中的 C++ 代码fir.cpp看起来与 Python 代码非常相似。通过一些代码提升技术（将i = 0时的代码放在for 循环之外），HLS 可以流水线化最外层的循环。如果流水线循环包含更多循环，它们将自动展开。

Python 脚本fir.py将计算出的抽头系数写入 C++ 头文件。出于调试目的，测试信号和预期响应也写入fir.h头文件中。

 

在综合后报告中，我们看到相当大的开销，因为即使循环是流水线，它也需要 1345 个周期来过滤长度为 1024 的信号。这是由于昂贵的浮点运算。

 

为避免浮点运算，可以使用Vitis HLS 的定点包。为了不在 Python 中使用定点（为了与 Pynq 通信），函数的输入和输出仍然是 float。输入和输出必须进行相应的类型转换。在这个项目中，使用了 32 位的字宽和 1 位的整数宽度。

 

正如报告中所见，开销几乎消失，1058 个周期确实接近了 1024 个周期的最佳延迟。

 

Vitis HLS 和 Vivado

与上一篇博文一样，使用 Vitis HLS 和 Vivado 生成硬件。时钟频率使用100MHz，之后可以在Pynq中超频。

Pynq

Pynq 代码 ( fir.ipynb) 与之前的博文非常相似。系统可超频至 250 MHz

 

对于普通的 Python 实现，已经实现了 3160 倍的巨大性能提升。为了与scipy (lib) 的 lfilter()进行比较，可以实现 6.7 倍的性能提升。