基于近似计算的自适应滤波器设计

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自适应滤波因其成熟的理论基础和简单的硬件实现方法,在工程实践的诸多领域得以应用,比如自适应噪声抵消,自适应谱线增强,系统识别等。自适应滤波系统的实现依赖于乘法器和加法器等运算单元,其系统的运行伴随着大量的数据计算。随着自适应滤波器硬件规模越来越大,其面临的功耗问题也愈发严重。近似计算电路被逐渐引入到此类运算单元中用以解决电路中的能耗密度和运算能力限制等问题,其基本思想是通过产生不精确但可接受的计算结果,简化电路硬件复杂度,从而达到提高电路电气性能的目的。为了探究在诸如自适应滤波器的应用中引入近似计算的可行性与具体优化效果。本文首先对构成该系统的重要运算单元进行了原理的阐述与特性的分析,接着对上述单元进行了近似化设计。而后搭建了精确的和多个近似的自适应滤波器。在压缩器单元,8比特,16比特乘法器单元和自适应滤波器层次均进行了大量的对比实验与分析。最终在自适应噪声抵消应用下,论证了近似计算在自适应滤波应用中的可行性与必要性。本文基于对部分积阵列的概率分析,提出了一种新型近似4-2压缩器和一种与之适配的误差补偿单元。得益于加法的补偿特性,该近似4-2压缩器创新性地仅保留了一个输出端口。使用该压缩器辅以误差补偿单元搭建的乘法器与其他近似设计相比在保证较好的精度前提下实现了明显的电气性能提升。将该8比特无符号数乘法器用于图像合成应用可以获得超过60d B的PSNR表现。与此同时,本文提出了针对该压缩器的误差的理论分析方法。当使用其构建乘法器时,可以在不进行verilog编码以及仿真的情况下快速估算单条近似压缩器链路的误差性能。在自适应噪声抵消应用中,使用上述单元构成的多个不同参数的近似自适应滤波器相比于全精度设计在不明显的精度下降条件下,近似设计相比于全精度设计面积降低了43.99%,功耗降低了58.55%,延时降低了18.40%。不明显的精度下降表明在自适应滤波器设计中引入近似计算是可行的。而显著的电气性能提升说明了在低功耗设计日益重要的当下在诸如此类的运算单元中引入近似化设计的必要性。
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