70、FPGA实现低延迟高精度中值滤波器架构及多功能CPU能源计量与故障检测

FPGA实现低延迟高精度中值滤波器架构及多功能CPU能源计量与故障检测

1. 中值滤波器概述

中值滤波器是图像和数字信号处理中常用的空间滤波器，能有效去除噪声，保留数据有用信息，在脉冲估计、边缘检测和图像采集等应用中发挥重要作用。传统中值滤波器需对全部数据排序，导致延迟、面积和功耗较高。而本文提出的技术采用非传统算法，无需对全部数据排序。

2. FPGA在硬件实现中的优势

现场可编程门阵列（FPGA）在软件模块的硬件实现中占据主导地位，因其可重构性为设计者提供了极大的灵活性，在基于片上系统（SoC）的实时应用设计中发挥关键作用。中值滤波器的硬件实现在实时脉冲噪声去除应用中非常有用。处理数据主要有字级处理和位级处理两种方式，本文采用字级处理技术。

3. 现有相关工作分析

• Prokin等人 ：提出低硬件复杂度的流水线秩滤波器，通过相同的流水线阶段降低硬件复杂度并提高处理速度，减少了逻辑元件和寄存器的使用数量，最大工作频率与窗口大小N无关，但硬件复杂度随窗口大小呈线性增长。
• Lin等人 ：设计了基于字级架构的面积高效一维中值滤波器，按值对窗口内样本降序排序，通过在每个时钟周期进行样本删除和插入操作提高性能，但关键路径延迟随窗口大小增加而增加，且需要额外电路进行样本插入和删除。
• Nikhad等人 ：实现了固定和运行时可变窗口长度的一维中值滤波器的高速硬件设计，最大工作频率与滤波器大小和字长无关，但需要大量资源组件，且随着数据数量和位宽增加，计算速度受限。