I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S )   Vo l.   5 ,   No .   2 J u l y   201 6 ,   p p .   1 2 1 ~ 12 6   I SS N:  2089 - 4864          121       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RES   VLSI  Desig n and   Co m pa riso n of  D A and LM S Ba se Recon figura ble  F IR Filt er       P.   H e m a nth ku m a r Y.   Sa i K ira n,  V.   Na v a   T ej a   El e c tro n ics   a n d   Co m m u n ica ti o n En g in e e rin g ,   Ko n e ru   L a k sh m a iah   Un iv e rsity ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   2 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Mar   23 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   A p r   1 1 ,   2 0 1 6       He re ,   w e   e x h ib it   th e   d e sig n   o p t i m iz a ti o n   o f   o n e -   a n d   tw o - d im e n s io n a f u ll y - p ip e li n e d   c o m p u ti n g   stru c tu re f o a re a - d e la y - p o we r - e ff icie n t   im p le m e n tatio n   o f   f in it e   i m p u lse   re sp o n se   (F IR)  f il ter   b y   s y sto li c   d e c o m p o siti o n   o f   d istri b u ted   a rit h m e ti c   (D A) - b a se d   in n e r - p ro d u c c o m p u tatio n .   T h is  p la n   is  f o u n d   to   o f f e a   f lex ib le  c h o ice   o f   th e   a d d re ss   len g th   o f   th e   lo o k - up - ta b les   (L U T f o D A - b a se d   c o m p u tatio n   to   d e ter m in e   su it a b le  a re a - ti m e   trad e - o ff .   It  is   se e n   th a b y   u sin g   sm a ll e a d d re ss - len g th f o D A - b a se d   c o m p u ti n g   u n it s ,   it   is  p o ss ib le  to   d e c re a se   th e   m e m o r y - siz e   b u t   o n   th e   o t h e sid e   th a lea d to   in c re a se   o a d d e c o m p lex it y   a n d   th e   late n c y .   F o e ff icie n D A - b a s e d   re a li z a ti o n   o f   F IR  f il ters   o d iffere n o rd e rs,  th e   f le x ib le  li n e a sy sto li c   d e sig n   is  im p le m e n ted   o n   a   Xili n x   V irt e x - X C V 2 0 0 0 F P G A   u sin g   a   h y b rid   c o m b in a ti o n   o f   Ha n d e l - a n d   p a ra m e teriz a b le  V HD c o re s.  V a rio u k e y   p e r f o r m a n c e   m e tri c su c h   a s   n u m b e o f   slice s,  m a x i m u m   u sa b le  f re q u e n c y ,   d y n a m ic  p o w e c o n su m p ti o n ,   e n e rg y   d e n sit y   a n d   e n e rg y   th ro u g h p u a re   e sti m a ted   f o d iff e re n f i lt e o rd e rs   a n d   a d d re ss - len g th s.  O b tain e d   r e su lt o n   a n a ly sis  s h o w th a p e rf o r m a n c e   m e tri c o th e   p ro p o se d   im p le m e n tatio n   is  b ro a d ly   in   li n e   w it h   th e o re ti c a l   e x p e c tatio n s.  W e   h a v e   s e e n   th a th e   c h o ice   o f   a d d re ss - len g th   M = 4   g iv e th e   b e st  o f   a re a - d e la y   p o w e r - e ff icie n re a li z a ti o n o f   th e   F IR   f il ter  f o d if f e re n t   f il t e o rd e rs.  M o re o v e r,   th e   p ro p o se d   F P G A   i m p le m e n tatio n   is   f o u n d   to   in v o lv e   sig n if ic a n tl y   les s   a re a - d e la y   c o m p lex it y   c o m p a re d   w it h   th e   e x isti n g   DA - b a s e d   im p le m e n tatio n s o f   F I f il ter.   K ey w o r d :   Dis tr ib u ted   ar it h m e tic   Field   p r o g r a m m ab le  g ate  ar r ay s   ( FP GA )   Fin ite   i m p u l s r esp o n s ( FI R )   f ilter   L i n ea r   co n v o l u tio n   S y s to lic  ar r a y   Co p y rig h ©   2 0 1 6   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   P .   Hem a n t h k u m ar   E lectr o n ics an d   C o m m u n icat i o n s   E n g i n ee r in g ,   Ko n er u   L ak s h m aia h   U n i v er s it y ,   I n d ia .   E m ail:  h e m a n t h k u m ar p ed ap u d i@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Fin ite   i m p u l s r esp o n s ( FI R )   d ig ital  f ilter s   ar m o s t l y   u s ed   b ec au s o f   th e ir   i m p o r ta n r o le  in   d if f er e n t   d i g ital   s i g n al  p r o ce s s in g   ( DSP )   a p licatio n s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   A lo n g   w i th   t h d ev elo p m en t   in   v er y   lar g e   s ca le   in te g r atio n   ( V L SI)   tec h n o lo g y   as  th e   DSP   h a s   b ec o m m o r p o p u lar   o v er   th y ea r s ,   th e   h i g h s p ee d   r ea lizatio n   o f   FIR   f ilter s   w it h   les s   p o wer   co n s u m p tio n   h as  b ec o m e   v er y   m o r d e m a n d i n g .   Si n ce   th co m p lex it y   o f   i m p le m en ta tio n   g r o w s   w it h   f il ter   o r d er   an d   th p r ec is io n   o f   co m p u tatio n ,   r ea l - ti m r ea liza tio n   o f   t h ese  f il ter s   w it h   d esire d   lev e o f   ac cu r ac y   i s   c h alle n g in g   tas k .   Ma n y   atte m p ts   ar m ad to   d ev e lo p   d ed icate d   an d   r ec o n f i g u r ab le  ar c h itect u r es   f o r   r ea lizatio n   o f   FI R   f ilt er s   i n   ap p licatio n   s p ec i f ic   in teg r at ed   cir cu its   ( A SI C )   an d   f ield   p r o g r a m m ab le  g ate  ar r ay s   ( FP GA )   p lat f o r m s .   S y s to lic  d esig n s   r ep r esen a n   a ttr ac tiv ar ch i tectu r al   m o d el   f o r   ef f icie n t   h ar d w ar i m p le m en ta tio n   o f   co m p u ta ti o n - in te n s i v DSP   ap p licatio n s ,   s u p p o r ted   b y   t h e   q u alities   lik s i m p licit y ,   r eg u l ar it y   an d   m o d u lar it y   o f   s tr u ct u r e.   A d d itio n all y ,   t h e y   al s o   h a v e   p o ten tial  to   y ield   h ig h - t h r o u g h p u r ate   b y   d a m a g in g   h i g h lev e o f   co n cu r r e n c y   u s i n g   p ip elin i n g   o r   p ar allel  p r o ce s s in g   o r   b o th   [ 3 ] .   T o   u s e   th ad v a n ta g es   o f   s y s to lic  p r o ce s s i n g ,   m a n y   a lg o r ith m s   an d   ar c h itect u r es   h av b ee n   p r o p o s ed   f o r   s y s to lizatio n   o f   FIR  f i lter s   [ 4 ] [ 7 ] .   Ho w e v er ,   th e   m u l tip lier s   in   th e s s tr u ct u r es  r eq u ir l ar g e   p o r tio n   o f   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ R E S     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     V LS I   Desig n   a n d   C o mp a r is o n   o f D A   a n d   LM S   B a s ed   R ec o n fig u r a b le  F I R   F ilter   ( P .   Hem a n th ku ma r )   122   ch i p - ar ea ,   a n d   co n s eq u e n tl y   en f o r ce   li m i tatio n   o n   t h m a x i m u m   p o s s ib le  n u m b er   o f   p r o ce s s in g   ele m e n t s   ( P E s )   th at  ca n   b ac co m m o d ated   an d   th e   h ig h es o r d er   o f   t h e   f ilter   th at   ca n   b r ea l ized .   Mu ltip lier le s s   d is tr ib u ted   ar ith m etic   ( D A ) - b a s ed   tech n iq u e,   h a s   g ain ed   s u b s tan t ial  p o p u lar it y ,   i n   r ec en y ea r s ,   f o r   th eir   h i gh - th r o u g h p u p r o ce s s in g   ca p ab ilit y ,   an d   in cr ea s ed   r eg u lar it y   w h ich   r es u lts   i n   co s t - e f f ec t iv an d   ar ea - ti m ef f icien co m p u t in g   s tr u ct u r es .   T h m ai n   o p er atio n s   r eq u ir ed   f o r   DA - b ased   co m p u tatio n   o f   in n er - p r o d u ct  ar a   s eq u e n ce   o f   lo o k - up - tab le   ( L UT ) - ac ce s s e s   f o llo w ed   b y   s h i f t   ac c u m u la tio n   o p er atio n s   o f   t h L UT   o u tp u t.   DA - b ased   co m p u tatio n   is   well - s u ited   f o r   FP G A   r ea lizati o n ,   b ec au s t h L UT   as  w e ll  as  t h s h i f t - ad d   o p er atio n s   ca n   b ef f icien tl y   m ap p ed   to   th L UT - b ased   FP GA   lo g ic  s tr u ct u r es.   I n   FIR  f il ter in g ,   o n co n v o l v in g   s eq u en ce   is   o b tain ed   f r o m   t h in p u s a m p les  w h i le   th o th er   s eq u en ce   f r o m   t h f ix ed   i m p u ls r e s p o n s co e f f icien ts   o f   th f ilter .   T h is   b eh a v io r   o f   FIR  f ilter   m a k es  it   p o s s ib le  to   u s D A - b ased   tec h n iq u f o r   m e m o r y - b ased   r ea lizatio n .   I y ield s   f a s ter   o u tp u t   co m p ar ed   w it h   t h e   m u ltip lier - ac c u m u lato r - b ased   d esig n s   b ec au s i s to r es  t h p r e - co m p u ted   p ar tial  r esu lts   i n   t h m e m o r y   ele m e n ts   [ 8 ] ,   w h ic h   ca n   b r ea d   o u t a n d   ac cu m u lated   to   o b tain   t h d esire d   r esu l t.  T h m e m o r y   r eq u ir e m e n t o f   DA - b ased   i m p le m e n tatio n   f o r   FIR  f ilter s ,   h o w e v er ,   i n cr ea s es   ex p o n e n tiall y   w it h   t h f ilter   o r d er .   DA   w a s   f ir s t   in tr o d u ce d   b y   C r o is ier et  al   [ 9 ] an d   f u r t h er   d ev elo p ed   b y   P eled   an d   L u [ 1 0 ]   f o r   ef f icien t   i m p le m e n tat io n   o f   d ig ital  f ilter s .   A tte m p ts   ar m a d to   u s e   o f f s et - b in ar y   co d i n g   [ 1 1 ]   to   r ed u ce   th R OM   s ize  b y   f ac to r   o f   2 .   An   L UT - les s   ad d er - b ased   D A   ap p r o ac h   h as  b ee n   s u g g es ted   b y   Yo o   an d   An d er s o n ,   w h er m e m o r y - s p ac i s   r ed u ce d   at   th e   co s o f   ad d iti o n al  ad d er s   [ 1 2 ] .   Me m o r y - p ar titi o n i n g   a n d   m u ltip le  m e m o r y - b a n k   ap p r o ac h   alo n g   w i th   f le x ib le  m u l ti - b it   d ata - ac ce s s   m ec h an is m s   ar e   s u g g e s ted   f o r   FIR  f il ter in g   an d   in n er - p r o d u ct   co m p u tatio n   i n   o r d er   to   r ed u ce   th m e m o r y s ize  o f   D A - b ased   i m p le m e n tatio n   [ 1 3 ] [ 1 7 ] .   A llre d et  al h av e   s u g g e s ted   an   e f f ic ien D A - b ased   i m p le m e n tat io n   o f   leas m ea n   s q u ar ( L MS)   ad ap tiv f i lter   u s i n g   a   d ec o m p o s itio n   o f   D A b ased   FIR  co m p u tatio n   a n d   s u b s e q u en m e m o r y   d ec o m p o s itio n   [ 1 8 ] .   A ll  th e s s tr u ct u r es,  h o w e v er ,   ar n o s u itab le  f o r   i m p le m e n tatio n   o f   th FI R   f ilter s   i n   s y s to lic   h ar d w ar s i n ce   t h e   p ar ti al  p r o d u cts  av ailab le  f r o m   t h p ar titi o n ed   m e m o r y   m o d u les  ar s u m m ed   to g et h er   b y   n et w o r k   o f   o u tp u t   ad d er s .   A   n e w   to o f o r   th au to m at ic  g e n er atio n   o f   h ig h l y   p ar allelize d   FIR  f ilter s   b ase d   o n   P A R d esig n   m et h o d o lo g y   i s   p r esen ted   in   [ 1 9 ] ,   w h er t h a u th o r s   h a v e   p er f o r m ed   h ier ar c h ical  p ar tit io n in g   i n   o r d er   to   b alan ce   th a m o u n t o f   lo ca m e m o r y   w it h   e x ter n a l c o m m u n i ca tio n ,   an d   t h e y   h a v ac h iev e d   h ig h er   t h r o u g h p u t   an d   s m aller   late n cie s   b y   p ar tial  lo ca lizatio n .   A   s y s to lic  d ec o m p o s i tio n   tec h n iq u e   is   s u g g ested   i n   a   r ec en t   p ap er   f o r   m e m o r y - ef f icie n D A - b ased   i m p le m e n tatio n   o f   li n ea r   an d   cir cu lar   co n v o lu tio n s   [ 2 0 ] .   I n   th is   p ap er   w h a v ex ten d ed   f u r t h er   t h e   w o r k   o f   [ 2 0 ]   to   o b tain   an   ar ea - d ela y - p o w er - e f f icien t   i m p l e m en tatio n   o f   FI R   f ilter   i n   FP G A   p latf o r m .       2.   ADAP T I VE   A L G O RI T H M S   T h er ar m a n y   m et h o d s   f o r   t h p er f o r m i n g   w ei g h u p d ate  o f   an   ad ap tiv f il ter .   T h er is   th w ie n er   f ilter ,   w h ic h   is   t h o p ti m u m   l i n er   f ilter   i n   ter m s   o f   m ea n   s q u ar ed   er r o r ,   an d   s ev er al  alg o r it h m s   th a atte m p to   ap p r o x im a te  it,  s u ch   as  t h m eth o d   o f   s teep est  d e s ce n t.   T h er is   al s o   least - m ea n   s q u ar al g o r ith m ,   d ev e lo p ed   b y   W i n d r o w   a n d   Ho f f   o r ig in a ll y   f o r   u s i n   ar ti f icial  n eu r al  n et w o r k s .   Fin a ll y ,   t h er ar o th er   tech n iq u e s   s u c h   as  th r ec u r s i v e - least  s q u ar alg o r ith m   an d   th k al m an   f ilter .   T h ch o ice  o f   alg o r ith m   is   h ig h l y   d ep en d en t   o n   th s i g n al s   o f   in ter e s an d   th o p er atin g   en v ir o n m e n t,  as  w ell  as  t h co n v er g e n ce   ti m r eq u ir ed   an d   co m p u tatio n   p o w er   av ai lab le.     2 . 1 .   P r o ble m   Sta t e m ent         Du to   t h h i g h   p er f o r m a n c r eq u ir e m en ts   a n d   in cr ea s in g   co m p le x it y   o f   D SP   an d   m u lti m ed ia   co m m u n icatio n   ap p licatio n s ,   f ilter s   w it h   lar g n u m b er   o f   t ap s   ar r eq u ir ed   to   in cr ea s th p er f o r m a n ce   i n   ter m s   o f   h i g h   s a m p li n g   r ate.   As  r esu lt  t h f i lter in g   o p e r atio n s   ar co m p u tatio n all y   i n ten s i v an d   m o r e   co m p le x   i n   ter m s   o f   h ar d w a r r eq u ir em e n t s .   T h FIR  f i l ter s   p er f o r m   th w e ig h ted   s u m m atio n s   o f   i n p u t   s eq u en ce s   w i th   co n s tan t   co ef f icie n ts   in   m o s o f   t h s ig n al   p r o ce s s in g   a n d   m u l ti m ed ia  ap p licatio n s .   T h ese   f ilt er s   ar w id el y   u s ed   i n   v i d eo   co n v o lu t io n s   f u n ctio n s ,   s ig n al   p r ec o n d itio n i n g   an d   o th er   co m m u n icatio n   ap p licatio n s .   T h d ec r ea s e   in   co m p u tatio n al  co m p lex i t y   ca u s es  th i n cr ea s in   th p er f o r m an ce ,   i n   ter m s   o f   s p ee d ,   ar ea   an d   p o w er .   Hi g h   s p ee d ,   lo w   ar ea   a n d   p o w er   e f f i cien co n s cio u s   d esi g n   tech n i q u es   in   So C   i n cl u d ef f o r t s   at  al le v el  o f   ab s tr ac ti o n .     O n w a y   to   e f f icie n tl y   i n co r p o r ate  h ig h   p er f o r m a n ce   d esig n   tec h n iq u i s   to i m p le m e n t I P   co r es [ 4 ] .     T h ese  co r es h av f o llo w i n g   m aj o r   ad v an tag e s .       R eu s ab ilit y   a cr o s s   d esig n s       R ed u ctio n   o f   th d es ig n   ef f o r     S h o r ter   ti m to   m ar k et.     T h d is ad v an tag o f   FIR  f ilt er s   is   th at  th e y   r eq u ir h ig h   o r d e r .   T h h ig h   o r d er   d em an d s   m o r e   h ar d w ar e,   ar ea   an d   p o w er   co n s u m p tio n .   T o   m in i m ize  th e s p ar am eter s ,   o u r   g o al  is   to   i m p l e m e n an   e f f ici e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   IJ R E S   Vo l.  5 ,   No .   2 J u l y   201 6   :   1 2 4     12 6   123   h ig h   o r d er   f ilter i n   d ig ital  s y s te m s .   B y   t h r ed u ctio n   o f   ar ith m etic  i n   ter m s   o f   m u ltip lier s ,   o u r   g o al  is   to   r ed u ce   th p ar a m eter s   n a m el y ,   h ar d war e,   ar ea   an d   p o w er .   T h is   i s   u l ti m ate  g o al  o f   th i m p le m e n ta tio n   o f   a n   e f f icien FIR  f ilter   an h e n ce   D A   al g o r ith m   is   u s ed   f o r   i m p le m en tatio n   o f   h ig h   o r d er   FIR  f ilter .   FIR  f il ter   is   in co r p o r ated   w it h   M AC   u n i t.  T h e   p u r p o s o f   MA C   u n it  i s   to   m u l tip l y   t h i n p u w it h   c o n s ta n t   co ef f icie n ts ,   to   s h i f t   an d   th e n   to   ad d   th e m .   T h is   p r o ce s s   is     r ep ea ted     u n t il     all    p ar tial    p r o d u cts    p r o d u c   t h   o u tp u t     a f ter     ac cu m u lat io n .   I i n cr ea s es  th e   h ar d w ar co m p lex i t y   b ec a u s e   s i m p le  m u lt ip lier   cir cu itr y   i s   u s ed .   T h id ea   is   to   s o m e h o w   b y p as s   o r   r ep lace   th m u ltip l y   a n d   s h i f o p er atio n s   w it h   les s   co m p le x   o p e r atio n s .   Di s tr ib u ted   r ith m etic  ( D A )   A l g o r ith m   ca n   b u s ed   to   r ep lace   MA C   u n i t.  T h DA   A l g o r ith m   ac t u all y   u s es  lo o k u p   tab le   f o r   s to r in g   co n s tan co ef f icie n ts .   So   th u s o f   lo o k u p   tab les   r ed u ce s   th h ar d w ar co m p le x it y   a n d   h en ce   t h n e w   d e s ig n   is   m o r ef f ic ien t   in   ter m s   o f   les s   ar ea ,   m o r e   s p ee d   an d   lo w   p o w er   co n s u m p tio n .   FIR  f i lter   r ef er en ce   co r u s e s   s i m p le  MA C   u n i t.    W h av r ep lace d   MA C   u n it  i n   FI R   f ilter   r ef e r en ce   co r e   w it h   D A l g o r ith m .   I n   th is   s t u d y ,   p er f o r m a n ce   o f   R e f er en ce   C o r w it h   Si m p le  M A C   an d   r ef er e n ce   co r w i th   D A   is   co m p ar ed .       3.   I NT RO D UCT I O O F   DIS T RIB UT E AL G O R I T H M     Dis tr ib u ted   ar i th m etic   is   a   b it  le v el  r ea r r an g e m en o f   a   m u lt ip l y   ac cu m u late  to   h id th e   m u ltip licatio n s .   I is   a   p o w er f u tec h n iq u f o r   r ed u ci n g   t h s ize  o f   p ar allel  h ar d w ar e   m u ltip l y - ac c u m u late   th at  is   w el s u ited   to   FP GA  d esig n s .   I ca n   also   b ex t en d ed   to   o th er   s u m   f u n ctio n s   s u c h   as  co m p le x   m u ltip lies ,   Fo u r ier   tr a n s f o r m s   an d   s o   o n .   I n   m o s o f   t h m u ltip l y   ac cu m u late  ap p licatio n s   in   s i g n al   p r o ce s s in g ,   o n o f   t h m u ltip lican d s   f o r   ea ch   p r o d u ct  is   a   co n s tan t.  T h DA   tar g ets  t h p r o d u cts  o f   s u m s   w h ic h   co v er   all  f ilter i n g   ap p licatio n   an d   f r eq u e n c y   tr a n s f er   f u n ctio n s .   D A   u s es  L o o k - Up   T ab le   ( L UT )   w h ic h   s to r es  th co n s tan co ef f ic ien t s   o f   FIR  Fil ter .   T h s ize  o f   L o o k - Up   T ab le  ( L UT )   in   DA   al g o r ith m   is   2 ,   w h er e   k   i s   t h n u m b er   o f   f ilter   tap s .   W h en   n u m b er   o f   tap s   i n cr e ases ,   L UT   g r o w s - e x p o n en t ial l y .   B y   u s i n g   o f f s e B in ar y   C o d ( OB C ) ,   th s ize  o f   th e   L UT   ca n   b r ed u ce d .   T h is   is   v er y   ef f icie n i n   ter m s   o f   le s s   h ar d w ar a n d     m o r s p ee d   Ma n y   D SP   ap p lic atio n s   r eq u ir ed   FIR  w h ic h   h a v in g   M A   ( U n it  m u ltip lier   an d     ad d   ac cu m u lato r ) ,     r ep lacin g   M AC   w i th   L UT - B a s ed   D A   alg o r it h m     h av i n g     p o w er ,     e f f icien c y     a n d     les s     ar e   u s a g e.   P r o p o s ed   DA  alg o r it h m   is   h ar d w ar ef f icie n f o r   VL SI  an d   FP G A ,   b u L UT - L e s s   OB C   is   e f f icie n o n l y   f o r   cu s to m   VL SI  [ 5 ] . W h a v u s ed   D f o r   m u lt ip lier   le s s   ar ch i tectu r in   FP G A .   Fo r   D A   b ased   o n   lo o k - u p   tab le  h av i n g   co n s ta n co ef f icie n a n d   ch a n g i n g   v ar iab le,   o n n ee d s   to   d esig n   h ig h l y   e f f icien FI R   in   d ig ita s i g n al   p r o ce s s in g .   DA   ca n   b u s ed   f o r   h ig h   o r d er   f ilter .   T h er ar t w o   te h n iq u e s   u s ed   in   D A   a lg o r it h m ,   o n o f   w h ich   is   p ar allel  d is tr ib u ted   an d   th o th er   is   s er ial  d is tr ib u ted   [ 6 ] .   T h DSP   FIR  f ilter   f u n c tio n s   ar u s ed   i n   telec o m m u n icatio n s   ( e. g .   T elec o m m   i n   B io m ed ical   Si g n a P r o ce s s in g   C o m m u n icatio n ,   W i r eless   s atellite   an d   I m ag p r o ce s s i n g )   w h ic h   ar e   p er f o r m ed   e f f icien tl y .   T h m u ltip lier s   i n   M AC   u n it  o f   m an y   D SP   f u n ctio n s   h av e   m o r   p o w er   an d   ar ea   r eq u ir e m e n t s .   T h er ar t w o   tec h n iq u es   in   th is   r e s p ec w h ich   ar m u ltip lier   le s s .       On o f   t h e m   is   C o n v er s io n   b ased ,   in   w h ich   co e f f icien ts   o f   f ilter s   ar co n v er ted   i n to   n u m e r ic  r ep r esen tatio n .   T h s ec o n d   is   b ased   o n   L UT   w h ic h   s to r es  p r e - co m p u ted   co ef f icien ts   v alu e s   o f   FI R   f i lter s .   T h L UT   in   D alg o r ith m   u s es  m o r m e m o r y .   [ 7 ] .       4.   B UIL DI NG   B L O CK   O F   F I RE F E R E NC E   CO R E     T h ex is ti n g   co r m a y   b i m p l e m en ted   u s i n g   th m ai n   co m p o n en t s   w h ic h   ar g i v e n   b elo w :       C o u n ter       C o n tr o ller       X   s a m p le  v alu m e m o r y   ( X - R A M)       B   co ef f icie n m e m o r y   ( B - R o m )       B eta   an d   g a m m r eg i s ter       M u ltip l y - ac c u m u lato r   ( MA C )       R o u n d in g       O u tp u t   s a m p le  ( Y - R eg i s ter )   T h m ai n   co m p o n e n ts   o f   t h co r es  ca n   b ea s ily   r ec o g n ized   f r o m   th to p   o f   m o d u le  of   t h co r e.   T h b lo ck   d iag r a m   o f   t h ex is ti n g   d ir ec t f o r m   o f   FIR  f ilter   co r is   [ 8 ]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ R E S     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     V LS I   Desig n   a n d   C o mp a r is o n   o f D A   a n d   LM S   B a s ed   R ec o n fig u r a b le  F I R   F ilter   ( P .   Hem a n th ku ma r )   124       Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r a m   o f   T OP   m o d u le  o f   th FI R   Fil ter       5.   I M P L E M E NT AT I O O F     F I   F I L T E USI N G   DA     FIR  f ilter   h as  1 6 - tap s .   E ac h   ta p   co n s is t s   o f   1 6   f ilter   co ef f ici en ts   w it h   1 6 - b it  i n p u d ata  w i d th .   W h il e   d esig n in g   FIR  f ilter   w it h   D A ,   th ese  co ef f icie n ts   ar o r d er ed   in   lo ok - u p   tab le.   T h is   is   o w in g   to   th f ac t h a th ese   co ef f icie n ts   ar co n s ta n ts .   T h lo o k - u p   tab le  g r o w s   e x p o n en t iall y   w h e n   t h f il ter   co ef f ici e n ts   ar e   in cr ea s ed ,   to   cr ea te  t h r eq u ir ed   b r ea k - u p   i n   th d e s ig n   w e   h av e   to   in tr o d u ce   f o u r - co e f f ic ien ts   in   ev er y   lo o k - u p   tab le .   T h t h ic k n e s s   o f   co ef f icien v ar y   f r o m   8 - b it s   o r   1 6 - b its   r ela y i n g   o n   t h d esi g n .   T h t h ic k n e s s   o f   th e   in p u t s   d ata  w ill   ch a n g to   8 - b its   a n d   1 6 - b its ,   ea ch   L SB   b its   o f   i n p u t   d ata  ad d ed   i n   p ar allel  to   f o r m   t h ad d r ess   o f   th lo o k - u p   tab le.   Dis tr ib u ted   ar ith m e tic  A l g o r it h m   r ep lace s   A N D ”  an d   “AD D”  o p er atio n   as  d if f er e n tiated   w it h   M AC   u n it .   T h f o u r   lo o k - u p   tab le  s to r e s   1 6   co ef f icien ts   o f   FI R   f ilt er .     Mo r th an   f o u r   lo o k - u p   tab les  ar e   r eq u ir ed   f o r   s to r in g   e n o u g h   co ef f icie n t s   g o o d   re s p o n s o f   t h FIR  f ilte r .   T h L UT s   i n   D alg o r ith m   u til iz es  t h m u ltip li er   less   tec h n iq u e.   T h L UT s   u s ed   le s s   C L B   ( co n f i g u r atio n   lo g ic  b lo ck s )   i n   th e   FP GA   to   b o o s t   t h e   d ata  r ate s   an d   t h r o u g h p u t.   T h FP G A   h as  n o   m u ltip lier   a n d   ca n   b e   u til ized   as   S R A M   b ased   DA   alg o r it h m .   S in g le   FP GA   ch ip   is   m o r e f f ec t i v in s tead   o f   u s i n g   m u ltip le   DS P   d ev ices  f o r   i m p r o v i n g   co h er e n ce   w i th   r es p ec to   s p ee d   ar ea   an d   p o w er ,   b ec au s o f   SR A p r esen i n   FP GA ,   FP G A   is   m o r e f f ec ti v en e s s   f o r   th e x ec u t io n   o f   s ig n al  p r o ce s s i n g   ap p licatio n s .   D A   i s   b est  a lg o r ith m   r elati n g   to   f ilter i n g   o p er atio n ,   as   SR A M   b ased   F P GA   s to r ed   lo o k - u p   tab le  v alu e s   w h ich   ar p r e - co m p u ted   an d   als o   FP GA   p r o v id es   s u r r o u n d in g   l o g ic  in   s i n g le  c h ip .   Dis tr ib u ted   ar ith m e tic  al g o r ith m   g i v es   g o o d   p er f o r m a n ce   w h e n   w u t il ize  in   f ilter i n g   o p er atio n   as   co n v e n tio n al  M AC   h as  m o r e   h ar d w a r co m p le x it y   th a n   D A .           Fig u r 4 .   I m p le m e n tatio n   o f   F I R   f ilter   u s i n g   D A     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   IJ R E S   Vo l.  5 ,   No .   2 J u l y   201 6   :   1 2 4     12 6   125   6.   SI M UL AT I O A ND  RE SU L T   I m p le m e n ti n g   o f   FIR  fi lter   co r es  h as  b ee n   s tu d ied   an d   w c an   n o tice  t h at  FIR   fi lter   co r es  h av b ee n   o b tain ed   w ith   b o th   r e f er en ce   an d   D A   s tr u ct u r e.   R e s u lts   h a v b ee n   ta k en   w it h   r esp ec o f   a r ea   u tili ze d ,   p o w er   d is s ip ated   an d   s p ee d   p er f o r m an ce   f o r   1 6 b its - 2 0   tap s   a n d   8 b its - 20  tap s .   FIR  f ilter   c o r es  ar e   d esig n ed   i n   Ver ilo g   HD L   an d   i m p le m e n te d   u s in g   Xil in x   10 . 1 i to o l.   Sim u latio n s   w er p er f o r m ed   u s in g   Mo d elsi m 6 . 4 b .                 Are a   Co m pa ri s o n ( 1 6   bit  1 6 - t a ps )     A b o v tab le  s h o w   th a th ar ea   o f   C o n v . UD FIR  Fil ter   is   less   w h e n   co m p ar ed   w it h   s a m co r i m p le m en ted   w it h   D A   al g o r it h m       T ab le  1 .   A r ea   C o m p ar is o n   o f   1 6   b it 1 6 - tap s   F i l t e r   C o r e s   C o n v . U D F   F I R   F i l t e r   C o r e   C o n v . U D F   F I R   F i l t e r   C o r e   w i t h   D A   A l g o r i t m   N o .   o f   S l i c e s   7 0 %   74^   S l i c e   F l i p   F l o p s   3 2 %   3 7 %   I n p u t   L U T s   3 8 %   3 7 %   B o n d e d   I O B s   6 0 %   6 0 %   T o t a l   Eq   G a t e   C o u n t   1 3 6 1 0   1 3 5 7 3       F I F ilte Usi ng   L M S Alg o rit h m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ R E S     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     V LS I   Desig n   a n d   C o mp a r is o n   o f D A   a n d   LM S   B a s ed   R ec o n fig u r a b le  F I R   F ilter   ( P .   Hem a n th ku ma r )   126   Sp ee Co m pa ri s o ( 1 6   bit  1 6 - t a ps )   Fig u r s h o w   r e s u l ts   co m p ar is o n   o f   co n v . UDF   FIR   Fi lter   C o r an d   co n v . UD FIR  C o r w it h   D A l g o r ith m   f o r   s p ee d .   A b o u t 4 7 % i m p r o v e m e n t i n   s p ee d   is   o b s er v ed   w h e n   u s in g   D A   al g o r ith m .     Clo s ure  a nd  F uture   E f f o rt   T h o u tco m p r o v e   th a d is tr i b u ted   ar ith m e tic  alg o r it h m   i s   ef f ec tiv e   f o r   FIR  f i lter s   i m p le m en tatio n   o n   FP G A s .   T h e   co h er en ce   r e g ar d in g   ar ea ,   r ate   a n d   p o w er   h a s   b ee n   a n al y ze d .   C o r r ela tio n   o f   r es u lt s   e v id en t l y   s u g g e s t h at  e f f ic ien c y   r eg ar d in g   p o w er   d is s ip ati o n   an d   s p ee d   h as  b ee n   b o o s ted   ha v i n g   m o r o r   less   s a m ar ea   u tili za tio n .   T h t w o   tech n iq u e s   o f   D A   ar s er ial  DA   an d   pa r allel  DA .   I n   th is   li n o f   ar g u m e n t,  t h s er ial   d is tr ib u te d   ar ith m etic  h elp ed   in   m a k i n g   FIR Fi lter   m o r p r o d u ctiv e.          T ab le  2 .   Sp ee d   C o m p ar is o n   ( 1 6   b it 1 6 - tap s )   F i l t e r   C o r e s   C o n v . U D F   F I R   F i l t e r   C o r e   C o n v . U D F   F I R   F i l t e r   C o r e   w i t h   D A   A l g o r i t m   M i n   P e r i o d   2 6 . 7 9 8   n S   1 8 . 1 6 1   n S   I n p u t   A r r i v a l   T i me   9 . 5 7 4   n S   9 . 5 7 4   n S   O u t p u t   R e q   T i me   1 5 . 8 4 2   n S   1 6 . 5 2 6   n S   M a x   F r e q   3 7 . 3 1 6   H z   5 5 . 0 6 3   H z   S p e e d   I mp r o v e m e n t   - - - - - - - - - - - - - - - -   4 7 , 5 6   %       I n   co m i n g   ti m es t h p ar allel  DA  ca n   b o o s t   t h e   p r o d u ctiv it y   o f   FIR  Fil ter   r eg ar d i n g   d ata   r ates.  T h p er f o r m a n ce   o f   D A   b ased   al g o r ith m ,   s er ial  d is tr ib u ted   ar ith m etic  al g o r ith m   a n d   p ar allel  d is tr ib u ted   ar it h m e tic   o p er ate   t h lo o k   u p   tab le.   T h ar ea   o f   th lo o k   u p   tab le  m o u n u p   w h en   t h n u m b er   o f   f ilter   tap s   is   g r ea ter .   Fo r   s u p er io r   p r o d u ctio n   o f   FI R   Filte r ,   MU X   is   u s ed   b y   L UT   less   DA   i m p le m en tat io n .   E v er y   s h i f t   r eg i s ter   u s e s   MU w h ic h   s elec o r   f ilter   co ef f icie n t s ,   an d   to   b o o s t   th ef f icie n c y   o f   th FI R   Fil ter   in   f u t u r th i s   tech n iq u ca n   b u s ed .       RE F E R E NC E S   [1 ]   F a rh a A b b a S h a h ,   Ha b ib u ll a h   J a m a l,   M u h a m m a d   A k h ter  Kh a n ,   Re c o n f ig u ra b le  L o w   P o w e F IR  F il ter  b a se d   o n   P a rti t io n e d   M u lt i p li e rs” ,   1 6 - 1 9   D e c e m b e r,   KFUP M ,   Dh a h ra n ,   KS A ,   ICM ,   2 0 0 6 .     [2 ]   X il i n x ,   De sig n   Re u se   M e th o d o l o g y   f o A S IC  a n d   F P G A   De si g n e rs” ,   2 0 0 4 .   ww w . x il in x . c o m .   [3 ]   N.   S a n k a ra y y a ,   K.   Ro y ,   D.  Bh a tt a c h a r y a ,   A l g o rit h m f o L o P o w e r   a n d   Hig h   S p e e d   F IR  f il ter  Re a li z a ti o n   Us in g   Diff e r e n ti a Co e ff icie n ts” ,   A n a lo g   a n d   Dig i tal   S ig n a P ro c e ss in g IEE T ra n s a c ti o n s ,   v o l,   4 4 ( 6 ) ,   p p .   4 8 8 - 4 9 7 ,   1 9 9 7 .     [4 ]   A . T .   Erd o g a n ,   M.   Ha sa n   a n d   T.   A rsla n ,   Al g o rit h mic   lo p o we FIR   c o re s ,   c ircu it a n d   s y ste m s,  IEE E   p ro c e e d in g s,  v o l   1 5 0 ,   p p .   1 5 5 - 1 6 9 ,   2 0 0 3 .     [5 ]   He e jo n g y o o   a n d   Da v id   V .   A n d e rso n ,   Ha rd w a re   e ff icie n d istrib u ted   a rith me ti c   a rc h it e c tu re   fo h i g h   o r d e d ig it a l   fi lt e rs ,   A c o u stics ,   S p e e c h ,   a n d   S ig n a P ro c e ss in g ,   2 0 0 5 .   P ro c e e d in g s.  (ICA S S P   ' 0 5 ) .   IEE E ,   v o 5 ,   p p .   1 2 5 - 1 2 8 ,   2 0 0 5 .   [6 ]   W a n g   se n ,   T a n g   Bin   a n d   Zh u   Ju n ,   Distrib u ted   a rit h m e ti c   f o F IR  f il te d e si g n   o n   F P G A ,   C o m m u n ica ti o n s,  Circu it s an d   S y ste m s 2 0 0 7 .   ICC CA S   2 0 0 7 .   IEE E ,   p p .   6 2 0 - 6 2 3 ,   2 0 0 7 .     [7 ]   P a tri c k   L o n g a   a n d   A li   M iri ,   Are a   e ff icie n FI fi lt e d e si g n   o n   F PGAs  u sin g   d istri b u te d   a rit h me ti c ,   S y m p o siu m   o n   sig n a p ro c e ss in g   a n d   in f o rm a t io n   tec h n o lo g y ,   IEE p ro c e ss in g ,   p p .   2 4 8 - 2 5 2 ,   2 0 0 6 .     [8 ]   M u h a m m a d   A k h tar  k h a n   a n d   A . T .   Rrd o g a n ,   Pa ra me ter ize d   a n d   p ro g r a mm a b le  l o p o we so ft   FIR   fi lt e rin g   IP  c o re s ,   P r o c e e d in g o f   th e   4 th   W S EA S   In tern a ti o n a Co n f e re n c e   o n   S ig n a P ro c e ss in g ,   Co m p u tati o n a G e o m e t r y   &   A rti f icia V isio n ,   2 0 0 4 .   [9 ]   P . K.  M e h e r,   S.   Ch a n d ra se k a ra n   a n d   A .   Am ir a ,   F P G A   r e a li z a ti o n   o f   F IR  f il ters   b y   e ff icie n a n d   f lex ib le  s y ste m iz a ti o n   u si n g   d istri b u te d   a r it h m e ti c ,   IEE T ra n s a c ti o n s o n   S ig n a l   Pro c e ss in g ,   v o l.   5 6 ,   p p .   3 0 0 9 - 3 0 1 7 ,   2 0 0 8 .   [1 0 ]   D. J.  A ll re d ,   H.  Yo o ,   V .   Krish n a n ,   W .   Hu a n g   a n d   D.V .   A n d e rso n ,   L M S   a d a p ti v e   f il ters   u sin g   d istri b u ted   a rit h m e ti c   f o h ig h   th r o u g h p u t ,   IEE E   T ra n sa c ti o n s o n   Circ u it a n d   S y ste ms v o l,   5 2 ,   p p ,   1 3 2 7 - 1 3 3 7 ,   2 0 0 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.