본 논문에서는 모듈성과 확장성을 갖는 시스톨릭 어레이를 이용한 FIR(finite impulse response) 디지털필터의 구현에 대하여 기술한다. 차분방정식 혹은 전달함수가 주어질 때 기본소자를 이용한 FIR 디지털필터 설계를 위한 2차원 DG(dependence graph)로부터 1차원 시스톨릭 어레이를 유도한 후 유도된 시스톨릭 어레이를 RT 수준에서 VHDL로 모델링하여 동작을 검증하였다 검증된 시스톨릭 어레이를 이용한 FIR 디지털필터는 Hynix에서 제공하는 0.35$\mu\textrm{m}$ 셀 라이브러리와 FPGA칩인 XCV200E을 사용하여 합성 및 구현되었다.
본 논문에서는 모듈성과 확장성을 갖는 시스톨릭 어레이를 이용한 FIR(finite impulse response) 디지털필터의 구현에 대하여 기술한다. 차분방정식 혹은 전달함수가 주어질 때 기본소자를 이용한 FIR 디지털필터 설계를 위한 2차원 DG(dependence graph)로부터 1차원 시스톨릭 어레이를 유도한 후 유도된 시스톨릭 어레이를 RT 수준에서 VHDL로 모델링하여 동작을 검증하였다. 검증된 시스톨릭 어레이를 이용한 FIR 디지털필터는 Hynix에서 제공하는 0.35$\mu\textrm{m}$ 셀 라이브러리와 FPGA칩인 XCV200E을 사용하여 합성 및 구현되었다.
이 논문에서는 이산형 상태 공간 모델에서의 새로운 FIR 필터를 제안한다. 선형성, 무진동성, FIR 구조, 초기 조건과의 무관성등을 디자인 과정에서 고려해서 성능 지표를 최소화 하는 필터를 구한다. 성능지표로는 구간에서 외란 에너지와 현재 추정 에러의 최대 이득으로 생각하며, 이 지표는 일반적인 성능지표와는 다르다. 제안된 필터는 배치 형태로 먼저 구하고, 점화식 형태로 바꿀 수 있음을 보인다. 제안한 필터는 확률론적 시스템의 이동 구간 무편향 FIR 필터(RHUFF)와 유사함을 보인다.
디지털 신호처리 기술은 통신을 비롯한 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 이러한 신호처리를 위해 사용되는 대표적인 필터에는 FIR 디지털 필터가 있다. 그리고 FIR 디지털 필터를 설계함에 있어서, 이상적인 필터에 대한 계수 절단 과정에서 발생하는 깁스현상(Gibbs phenomenon)을 감소시키기 위해, 창함수를 사용한다. 따라서, 본 논문에서는 디지털 필터의 성능을 향상시키기 위해, 고차의 창함수를 적용하였으며, 시뮬레이션에서 최대부엽의 크기와 천이 특성을 이용하여 기존의 창함수와 비교하였다.
본 논문에서는 요구되어진 차단주파수를 갖는 MAXFLAT FIR필터 설계를 위하여 일반적이고 뚜렷한 방식을 제안하였다. 제안된 기술은 요구된 차단주파수를 갖는 필터계수를 계산에 의해 직접 구할 수 있는 임의의 차단주파수를 갖는 임펄스응답의 일반 공식과 필터의 평탄 차수를 결정하기 위하여 논리적으로도 분명한 공식을 제공한다. 또한 실험 결과 제안된 기술이 요구된 차단주파수를 갖는 MAXFLAT(maximally flat) FIR 필터 설계에 있어서 계산적으로 효율적이고 정확한 방식이라는 것이 입증되었다.
본 논문에서는 CSD 계수로 표현되는 FIR 필터를 설계하는 방법에 관하여 고찰한다. 먼저, 게이트 수 측면에서 필터의 복잡도를 추정하는 방법을 제시한다. 이 방법을 통하여 최소의 복잡도를 가지면서 요구되는 성능을 만족시키는 필터를 설계할 수 있다. 다음으로 BonsaiG이라는 MILP 프로그램에 근거한 CSD 필터 설계 프로그램을 제시한다. 2가지 예제를 통해 설계된 필터의 게이트 수가 400-600 정도 차이를 나타내고, 이러한 비교를 통해 최적의 필터를 얻을 수 있음을 보인다.
지상파 디지털 TV 방송 서비스를 위해 송신기에서는 인접 채널에 미치는 영향을 최소화하기 위해서 FCC에서 규정한 전송 신호에 대한 emission mask를 만족하도록 채널 필터를 사용한다. 이러한 채널 필터는 군지연과 크기 왜곡을 야기하는데, 이를 보상하기 위해서 전치등화기를 사용한다. 기존의 전치등화기는 모두 FIR 필터링에 근간을 두고 있었지만, 본 논문에서는 FIR 필터링을 사용하는 전치등화 방법을 제안한다. IIR 필터는 pole-zero 모델링 특성이 있어서 기존 FIR 필터를 이용하는 방법에 비해서 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있고 채별 필터의 왜곡뿐만 아니라 DTV 송신기 내에 존재하는 다양한 선형적인 계곡까지 보상할 수 있는 장점이 있다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 IIR 전치등화기가 FIR 전치등화기에 비해서 잔류 평균 자승 오차 측면에서 매우 우수함을 보인다.
본 논문에서는 FIR 근사를 기반으로한 전역통과 시스템에 대한 deconvolution 필터링 기법을 제안한다. 제안한 기법은 안정한 non-causal deconvolution 필터를 FIR 근사에 의해 안정한 causal deconvolution 필터로 변환시키는 것이다. 본 논문에서 보인바와 같이 전역통과시스템에 대한 deconvolution 필터의 임펄스 응답은 전역통과 시스템 자체의 임펄스 응답의 거울 영상(mirror image) 임을 알 수 있다. 이와 같이 전역통과 시스템에 대한 임펄스 응답과 그 시스템의 deconvolution 필터에 대한 임펄스 응답의 대칭성 때문에, 제안한 기법은 전역 통과 필터의 차수에 상관없이 동일하게 적용할 수 있다. 제안한 기법의 성능을 보이기 위하여 1차, 2차 및 400차의 전역통과 시스템에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 포함한다.
본 논문에서는 전파천문용으로 사용하기 위한 대칭형 디지털 필터 코어의 설계를 제안한다. 본 논문에서는 Xilinx사의 Virtex-4 SX55 모델의 FPGA칩을 기반으로 한국우주전파관측망(Korean VLBI Network; KVN)의 자료획득시스템에서 요구하는 FIR 필터 코어의 기능을 VHDL 코드로 설계하였다. 본 논문에서 설계한 디지털 필터는 디지털 필터계수를 공유하여 시스템의 효율을 증대시킨 대칭형 구조(Symmetric Structure)를 갖는다. 대칭구조의 디지털 필터(Symmetric FIR Filter Unit; SFFU)는 제한된 시스템 클록을 이용하여 데이터의 처리를 효과적으로 수행하기 위해 병렬처리 방법을 사용한다. 따라서 본 논문에서는 SFFU의 효율적인 설계를 위해 전체적인 IP core의 합성 및 실험에는 통합 합성 소프트웨어 ISE Foundation을 사용하였으며, GUI 환경이 뛰어난 core generator를 활용하였다. 설계한 디지털 필터 코어의 합성 결과, 최대 동작 주파수는 260MHz를 약간 상회하는 수준까지 달성하였으며, 슬라이스, LUT 등의 리소스 사용량은 40% 이하임을 확인하였다 또한 Mentor Graphics사의 Modelsim 6.la 버전을 이용하여 SFFU(Symmetric FIR Filter Unit)의 시뮬레이션을 수행한 결과, 오류 없이 작동하는 것을 확인하였다. SFFU의 기능을 확인하기 위하여 추가적으로 Matlab을 이용하여 의사 신호를 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션과 설계한 디지털 FIR 필터의 비교실험결과에서 FIR 필터의 기능을 수행하고 있음을 확인할 수 있어 본 논문에서 FPGA와 VHDL을 이용하여 설계한 대칭구조의 디지털 FIR 필터의 유효성을 확인할 수 있었다.
입체음향 시스템의 방향감 제어에서 필수적인 머리전달함수(Head-Related Transfer Function)는 일반적으로 FIR 또는 IIR 필터로 구현되며, IIR 필터의 경우 FIR 보다 비교적 저차 모델링이 가능한 장점을 갖는다. 본 논문에서는 Balanced Model Reduction(BMR) 방법을 이용하여 비교적 높은 차수를 가지는 FIR 형태의 HRTF 필터를 IIR 필터로 설계하고, 입체음향 시스템의 실시간 구현시 필수적인 계산의 효율을 높이는 방법을 제시한다. 또한 IIR 필터로 근사화된 HRTF 필터의 주파수 패턴을 분석하여, 음상정위에 큰 영향을 미치는 주파수 대역을 좀 더 나은 해상도를 갖도록 설계하여 저차 모델 설계시 발생하는 오차가 음상정위에 미치는 영향을 최소화 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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