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Xilinx大学计划指定教材-FPGA数字信号处理实现原理及方法-原创首发

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标签: Xilinx大学计划FPGA数字信号处理

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内容简介

本书全面而又系统地介绍了基于fpga实现数字信号处理的原理及方法。全书包括12章和11个实验,主要内容包括数字信号处理设计导论、fpga的硬件结构及运算功能、信号及其处理理论概述、cordic算法原理及实现、fir滤波器和iir滤波器的设计、其他常用数字滤波器的设计、重定时信号流图、数字通信信号处理原理及实现、自适应信号处理理论基础、基于fpga的自适应信号处理实现、信号同步原理及实现、基于acceldsp的数字信号处理的实现和实验部分。本书参考了大量最新的设计资料,内容新颖、理论和应用并重,充分反映了基于fpga实现数字信号处理的最新方法和技术,可以帮助读者系统地掌握这些方法和技术。

本书可作为相关专业开设fpga数字信号处理课程的本科生和研究生教学参考书,亦可作为从事fpga数字信号处理研究方向的相关教师、研究生和科技人员的自学参考书,也可作为xilinx公司相关课程的培训用书。

目录

第1章 数字信号处理设计导论1

1.1 数字信号处理技术概要1

1.1.1 数字信号处理技术的发展1

1.1.2 数字信号处理算法的分类3

1.1.3 数字信号处理实现方法4

1.2 基于FPGA的数字信号处理实现5

1.2.1 FPGA的结构特点5

1.2.2 FPGA的公共资源7

1.2.3 基于FPGA的数字信号处理流程10

1.3 基于DSP的数字信号处理实现14

1.3.1 DSP的结构特点14

1.3.2 DSP的运行代码及性能16

第2章 FPGA的硬件结构及运算功能19

2.1 Virtex-II的内部结构及功能19

2.1.1 Virtex-II的逻辑资源19

2.1.2 寄存器与流水线21

2.1.3 Virtex-II RAM资源22

2.1.4 Virtex-II 嵌入式乘法器23

2.1.5 Virtex-II布线资源24

2.1.6 Virtex-II I/O模块24

.2.2 Virtex-4的结构及功能26

2.2.1 Virtex-4的结构26

2.2.2 Virtex-4的逻辑资源28

2.2.3 DSP48 Slice结构及功能31

2.2.4 基于DSP48 Slice的FIR滤波器的设计38

2.3 Virtex-5的结构及功能43

2.3.1 Virtex-5平台结构43

2.3.2 Virtex-5的逻辑资源44

2.3.3 DSP48E Slice结构及功能48

2.3.4 基于DSP48E的滤波器的设计68

2.4 基于FPGA的数字表示73

2.4.1 整数的表示73

2.4.2 非整数值的表示75

2.4.3 浮点数定义及表示78

第3章 信号及其处理理论概述80

3.1 信号定义及分类80

3.2 信号增益与衰减81

3.3 信号失真及测量81

3.3.1 放大器失真81

3.3.2 信号谐波失真82

3.3.3 谐波失真测量83

3.4 噪声及其处理83

3.4.1 噪声的定义及表示83

3.4.2 固有噪声电平84

3.4.3 噪声/失真链85

3.4.4 信噪比定义及表示85

3.4.5 信号的提取方法86

3.5 模拟信号及处理87

3.5.1 模拟I/O信号的处理87

3.5.2 模拟通信信号处理87

3.6 数字信号及处理88

3.6.1 通用的输入输出DSP系统 88

3.6.2 信号调理89

3.6.3 模数转换器ADC及量化效应92

3.6.4 数模转换器DAC及信号重建97

3.6.5 SFDR的定义及测量100

3.7 通信信号的软件处理100

3.7.1 软件无线电SR的定义100

3.7.2 IF的软件无线电实现101

3.7.3 信道化过程102

3.7.4 基站软件无线电接收机102

3.7.5 SR采样技术103

3.7.6 直接数字下变频104

3.7.7 带通采样失败的解决104

第4章 CORDIC算法原理及实现107

4.1 CORDIC简介107

4.2 CORDIC算法原理107

4.2.1 圆坐标系旋转107

4.2.2 线性坐标系旋转112

4.2.3 双曲线坐标系旋转112

4.2.4 CORDIC算法一般描述113

4.3 CORDIC算法性能分析114

4.3.1 输出量化误差的确定114

4.3.2 近似误差的分析115

4.3.3 舍入误差的分析115

4.3.4 有效位deff的估算116

4.3.5 预测与仿真116

4.4 基于System Generator实现CORDIC算法117

4.4.1 实现CORDIC的循环结构   117

4.4.2 实现CORDIC的非循环结构  119

4.4.3 实现CORDIC的非循环的流水线结构  119

4.4.4 3种实现方式的性能比较119

第5章 FIR滤波器和IIR滤波器的设计122

5.1 模拟到数字滤波器的转换122

5.1.1 微分方程的近似122

5.1.2 双线性交换123

5.2 数字滤波器的种类124

5.3 基本数字FIR滤波器的设计125

5.3.1 FIR滤波器的特性125

5.3.2 FIR滤波器的设计规则132

5.4 数字IIR滤波器的设计135

5.4.1 IIR滤波器的原理135

5.4.2 IIR滤波器的模型135

5.4.3 IIR滤波器的z域分析136

5.4.4 IIR滤波器的性能及稳定性137

第6章 其他常用数字滤波器的设计140

6.1 滑动平均滤波器的设计140

6.1.1 滑动平均原理140

6.1.2 八权值滑动平均140

6.1.3 九权值滑动平均142

6.1.4 滑动平均的转置结构142

6.2 微分器和积分器的设计143

6.2.1 微分器频谱特性143

6.2.2 积分器频谱特性143

6.3 梳状滤波器的设计145

6.4 积分器梳状滤波器的设计145

6.5 中频调制信号的产生和解调148

6.5.1 中频调制信号的产生148

6.5.2 中频调制信号的解调 149

6.5.3 CIC抽取提取基带信号150

6.5.4 CIC滤波器的衰减及修正152

6.6 CIC滤波器的实现方法153

6.7 CIC滤波器的位宽确定155

6.7.1 CIC抽取滤波器的位宽确定155

6.7.2 CIC插入滤波器的位宽确定157

6.8 CIC滤波器的锐化157

6.8.1 SCIC滤波器的特性157

6.8.2 ISOP滤波器的特性160

6.9 CIC滤波器的递归和非递归结构163

第7章 重定时信号流图168

7.1 信号流图基本概念168

7.1.1 信号流图关键路径168

7.1.2 信号流图的延迟169

7.2 割集重定时及规则169

7.2.1 割集重定时概念169

7.2.2 割集重定时规则1170

7.2.3 割集重定时规则2172

7.2.4 两种重定时FIR的SFG176

7.3 脉动阵列181

7.3.1 脉动阵列简介181

7.3.2 FIR滤波器脉动阵列及重定时182

7.3.3 IIR滤波器脉动阵列及重定时188

7.4 自适应滤波器的SFG191

第8章 数字通信信号处理原理及实现193

8.1 信号检测理论193

8.1.1 概率的柱状图表示193

8.1.2 概率密度函数194

8.2 二进制基带数据传输196

8.2.1 脉冲整形196

8.2.2 基带传输信号接收错误198

8.2.3 匹配滤波器的应用200

8.3 信号调制技术203

8.3.1 信道与带宽203

8.3.2 信号调制技术204

8.3.3 数字信号的传输221

第9章 自适应信号处理理论基础223

9.1 自适应信号处理技术背景223

9.2 自适应信号处理系统的结构224

9.2.1 一般信号处理系统的结构224

9.2.2 数字FIR滤波器的指标224

9.2.3 自适应数字滤波器225

9.2.4 自适应数字信号处理结构226

9.2.5 模拟接口227

9.2.6 自适应信号处理的不同结构227

9.3 自适应信号处理的应用228

9.3.1 信道识别228

9.3.2 回波对消229

9.3.3 声学回音消除230

9.3.4 电线交流噪声抑制231

9.3.5 背景噪声抑制231

9.3.6 信道均衡232

9.3.7 自适应谱线增强233

9.4 自适应信号处理算法233

9.4.1 均方误差最小化算法234

9.4.2 LMS算法237

9.4.3 RLS算法241

9.4.4 有源噪声控制246

第10章 基于FPGA的自适应信号处理实现247

10.1 LMS硬件实现结构247

10.1.1 LMS硬件实现结构原理247

10.1.2 串行LMS结构248

10.1.3 重定时SLMS结构249

10.1.4 非规范的LMS (NCLMS)结构250

10.1.5 流水线LMS结构251

10.1.6 超前技术253

10.1.7 PIPLMS结构254

10.1.8 PIPLMSK结构255

10.1.9 PIPLMS1结构255

10.1.10 DLMS结构256

10.1.11 ALMS结构257

10.1.12 复数LMS257

10.1.13 RLS和LMS技术的比较259

10.2 最小二乘解的计算260

10.2.1 最小二乘的计算原理260

10.2.2 最小二乘法计算261

10.2.3 递推最小二乘算法262

10.3 指数RLS算法实现263

10.3.1 指数RLS算法原理263

10.3.2 指数递归最小二乘263

10.4 QR-RLS算法原理及实现264

10.4.1 RLS的QR分解264

10.4.2 RLS QR的解265

10.4.3 QR分解的实现265

10.4.4 QR算法的FPGA实现266

10.4.5 QR-RLS的三数组方法267

第11章 信号同步原理及实现269

11.1 信号的同步问题269

11.2 信号定时及定时恢复270

11.2.1 信号定时原理270

11.2.2 信号定时恢复270

11.2.3 载波相位偏移及控制274

11.2.4 帧同步的实现原理278

11.2.5 数字下变频279

11.2.6 数控振荡器的原理及实现280

11.2.7 BPSK接收信号的同步282

第12章 基于AccelDSP的数字信号处理的实现285

12.1 AccelDSP软件设计流程285

12.1.1 AccelDSP软件功能概述285

12.1.2 AccelDSP综合流程285

12.2 基于AccelDSP的设计实现289

12.2.1 设计原理289

12.2.2 创建工程290

12.2.3 M代码编写291

12.2.4 验证浮点模型294

12.2.5 产生定点模型295

12.2.6 验证定点模型296

12.2.7 浮定点对比297

12.3 RTL模型297

12.3.1 RTL模型的产生297

12.3.2 验证RTL模型299

12.3.3 综合RTL模型299

12.3.4 实现过程300

12.3.5 验证门级网表301

12.4 采用System Generator流程301

实验1 System Generator软件工具的使用303

1.1 实验目的303

1.2 实验环境303

1.3 软件使用介绍303

1.3.1 System Generator和MATLAB软件的连接303

1.3.2 Xilinx工具模块的功能304

1.4 实验原理305

1.5 实验步骤306

1.5.1 工程中各个模块参数的设置方法及功能306

1.5.2 工程中具体参数的设置及运行313

实验2 基于DSP48X的FIR的设计316

2.1 实验目的316

2.2 实验环境316

2.3 实验原理316

2.4 实验步骤318

2.4.1 非对称滤波器的设计318

2.4.2 对称滤波器的设计319

2.4.3 多路复用滤波器的设计319

2.5 实验分析321

实验3 CORDIC算法的设计322

3.1 实验目的322

3.2 实验环境322

3.3 实验原理322

3.4 实验步骤323

3.4.1 CORDIC算法收敛性验证323

3.4.2 CORDIC子系统的设计325

3.4.3 圆形坐标系的算术功能的设计326

3.4.4 添加流水线技术的CORDIC体系结构的两种设计方法327

3.4.5 向量幅值精度的研究327

3.5 实验分析328

实验4 FIR滤波器设计330

4.1 实验目的330

4.2 实验环境330

4.3 实验原理330

4.4 实验步骤332

4.4.1 简单FIR滤波器的设计和比较332

4.4.2 使用FDATool模块设计滤波器334

4.4.3 XUP Virtex-II Pro板上的音频滤波338

4.5 实验分析341

实验5 CIC滤波器的设计342

5.1 实验目的342

5.2 实验环境342

5.3 实验原理342

5.4 实验步骤343

5.4.1 一级CIC滤波器的设计343

5.4.2 多级CIC滤波器的设计345

5.4.3 CIC插值和抽取滤波器的设计346

5.5 实验分析347

实验6 数字通信信号处理348

6.1 实验目的348

6.2 实验环境348

6.3 实验原理348

6.4 实验步骤349

6.4.1 发射机的设计349

6.4.2 脉冲形成和匹配滤波器的设计350

6.4.3 接收机的设计350

6.5 实验分析351

实验7 数字变频器的设计352

7.1 实验目的352

7.2 实验环境352

7.3 实验原理352

7.4 实验步骤354

7.4.1 数字上变频的设计354

7.4.2 数字下变频的设计355

7.5 实验分析356

实验8 数控振荡器的设计357

8.1 实验目的357

8.2 实验环境357

8.3 实验原理357

8.4 实验步骤358

8.5 实验分析360

实验9 脉冲整形滤波器的设计361

9.1 实验目的361

9.2 实验环境361

9.3 实验原理361

9.4 实验步骤362

9.4.1 采用滤波器实现脉冲整形的设计362

9.4.2 量化和频谱屏蔽的设计363

9.5 实验分析364

实验10 自适应滤波器的设计365

10.1 实验目的365

10.2 实验环境365

10.3 实验原理365

10.4 实验步骤366

10.4.1 标准并行自适应LMS滤波器的设计366

10.4.2 非规范式LMS滤波器的设计367

10.4.3 使用可配置的LMS音频367

10.5 实验分析367

实验11 系统同步的设计368

11.1 实验目的368

11.2 实验环境368

11.3 实验原理368

11.4 实验步骤370

11.4.1 相位锁相环的设计370

11.4.2 载波同步的设计371

11.5 实验分析374

参考文献376

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