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数字信号处理的FPGA实现中文版

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标签: fpga

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,但是功耗较低。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

FPGA正在掀起一场数字信号处理的变革。本书旨在讲解前端数字信号处理算法的高效实现。首先概述了当前的FPGA技术、器件以及用于设计最先进DSP系统的工具。第1章的案例研究是40多个设计示例的基础。随后几章阐述了计算机算法的概念、理论、FIR和IIR滤波器的实现、多抽样率数字信号系统、DFT和FFT算法、未来很可能实现的高级算法以及自适应滤波器等。每一章都包含练习。附录中给出了Verilog源代码和术语。

◆ 超过10个使用VHDL和Verilog设计的新的系统级案例研究

◆ 新增一章专门介绍图像和视频处理

◆ 更新后的AlteraQuartus和全新的ModelSim仿真工具

◆ XilinxAtlys板卡和ISIM仿真支持

◆ 有符号定点数和浮点数IEEE库示例

◆ 概述并行全通IIR滤波器设计

◆ CA和PCA系统级设计

◆ MP3和ADPCM的语音和音频编码\"

第1章  绪论  1

1.1  数字信号处理技术概述  1

1.2  FPGA技术  2

1.2.1  按颗粒度分类  3

1.2.2  按技术分类  6

1.2.3  FPL的基准  7

1.3  DSP的技术要求  11

1.4  设计实现  13

1.4.1  FPGA的结构  17

1.4.2  Altera  EP4CE115F29C7  21

1.4.3  案例研究:频率合成器  27

1.4.4  用知识产权内核进行设计  34

1.5  练习  39

第2章  计算机算法  53

2.1  计算机算法概述  53

2.2  数字表示法  53

2.2.1  定点数  54

2.2.2  非传统定点数  57

2.2.3  浮点数  68

2.3  二进制加法器  71

2.3.1  流水线加法器  74

2.3.2  模加法器  77

2.4  二进制乘法器  78

2.5  二进制除法器  84

2.5.1  线性收敛的除法算法  85

2.5.2  快速除法器的设计  90

2.5.3  阵列除法器  95

2.6  定点算法的实现  96

2.7  浮点算法的实现  98

2.7.1  定点数到浮点数的格式

转换  98

2.7.2  浮点数到定点数的格式

转换  99

2.7.3  浮点数乘法  100

2.7.4  浮点数加法  101

2.7.5  浮点数除法  103

2.7.6  浮点数倒数  104

2.7.7  浮点操作集成  105

2.7.8  浮点数合成结果  109

2.8  MAC与SOP  111  ...  [1] 

2.8.1分布式算法基础112

2.8.2有符号的DA系统114

2.8.3改进的DA解决方案115

2.9利用CORDIC计算特殊

函数117

2.10用MAC调用计算特殊

函数125

2.10.1切比雪夫逼近125

2.10.2三角函数的逼近127

2.10.3指数函数和对数函数的

逼近135

2.10.4平方根函数的逼近141

2.11快速幅度逼近147

练习150

第3章FIR数字滤波器163

3.1数字滤波器概述163

3.2FIR理论163

3.2.1具有转置结构的FIR

滤波器164

3.2.2FIR滤波器的对称性167

3.2.3线性相位FIR滤波器168

3.3设计FIR滤波器169

3.3.1直接窗函数设计方法170

3.3.2等波纹设计方法172

3.4常系数FIR设计174

3.4.1直接FIR设计174

3.4.2具有转置结构的FIR

滤波器178

3.4.3采用分布式算法的FIR

滤波器183

3.4.4IP内核FIR滤波器设计193

3.4.5基于DA和基于RAG的

FIR滤波器的比较196

3.5练习197

第4章IIR数字滤波器205

4.1IIR数字滤波器概述205

4.2IIR理论208

4.3IIR系数的计算210

4.4IIR滤波器的实现213

4.4.1有限字长效应216

4.4.2滤波器增益系数的优化217

4.5快速IIR滤波器218

4.5.1时域交叉218

4.5.2群集和分散预测的流水线

技术220

4.5.3IIR抽取器设计222

4.5.4并行处理223

4.5.5采用RNS的IIR设计226

4.6窄带IIR滤波器226

4.6.1窄带设计示例227

4.6.2级联二阶系统窄带滤波器

设计234  [2] 

4.6.3并联二阶系统窄带滤波器

设计237

4.6.4窄带IIR滤波器的网格

滤波器设计244

4.6.5窄带IIR滤波器的波形

数字滤波器设计251

4.7窄带IIR滤波器的全通滤波器

设计257

4.7.1窄带IIR滤波器的全通波形

数字滤波器设计259

4.7.2窄带IIR滤波器的全通网格

设计263

4.7.3窄带滤波器的全通直接型

设计263

4.7.4窄带滤波器的全通级联双

二阶设计263

4.7.5窄带滤波器的全通并行双

二阶设计263

4.8练习267

第5章多级信号处理273

5.1抽取和插值273

5.1.1Noble恒等式275

5.1.2用有理数因子进行采样速率

转换276

5.2多相分解276

5.2.1递归IIR抽取器281

5.2.2快速FIR滤波器281

5.3HogenauerCIC滤波器284

5.3.1单级CIC案例研究284

5.3.2多级CIC滤波器理论287

5.3.3幅值与混叠畸变291

5.3.4Hogenaur“剪除”理论293

5.3.5CICRNS设计298

5.3.6CIC补偿滤波器设计300

5.4多级抽取器302

5.5作为通频带抽取器的频率

采样滤波器305

5.6任意采样速率转换器的设计308

5.6.1分数延迟速率变换311

5.6.2多项式分数延迟设计318

5.6.3基于B样条的分数速率

变换器324

5.6.4MOMS分数速率变换器328

5.7滤波器组335

5.7.1均匀DFT滤波器组336

5.7.2双通道滤波器组339

5.7.3实现双通道滤波器组344

5.8小波353

5.8.1离散小波变换355

5.8.2离散小波变换的应用358

5.9练习366

第6章傅立叶变换373  [2] 

6.1傅立叶变换概述373

6.2离散傅立叶变换算法374

6.2.1用DFT近似傅立叶变换374

6.2.2DFT的性质376

6.2.3Goertzel算法378

6.2.4BluesteinChirp-z变换379

6.2.5Rader算法382

6.2.6WinogradDFT算法388

6.3快速傅立叶变换算法390

6.3.1Cooley-TukeyFFT算法391

6.3.2Good-ThomasFFT算法401

6.3.3WinogradFFT算法404

6.3.4DFT和FFT算法的比较407

6.3.5IP内核FFT设计409

6.4与傅立叶相关的变换413

6.4.1利用DFT计算DCT414

6.4.2快速直接DCT实现415

6.5练习417

第7章通信系统427

7.1差错控制和加密技术427

7.1.1编码理论的基本概念428

7.1.2分组码432

7.1.3卷积码436

7.1.4FPGA的加密算法443

7.2调制和解调457

7.2.1基本的调制概念457

7.2.2非相干解调462

7.2.3相干解调467

7.3练习474

第8章自适应系统479

8.1自适应系统的应用479

8.1.1干扰消除480

8.1.2预测480

8.1.3反演模拟481

8.1.4系统辨识481

8.2最优估计技术482

8.3Widrow-Hoff最小二乘法

算法488

8.3.1学习曲线494

8.3.2标准化LMS(NLMS)496

8.4变换域LMS算法498

8.4.1快速卷积技术498

8.4.2应用正交变换499

8.5LMS算法的实现502

8.5.1量化效应502

8.5.2LMS算法的FPGA设计503

8.5.3流水线LMS滤波器505

8.5.4转置形式的LMS滤波器507

8.5.5DLMS算法的设计507

8.5.6应用Signum函数的LMS

设计511

8.6递归最小二乘法算法513  [2] 

8.6.1有限记忆的RLS算法516

8.6.2快速RLS算法的卡尔曼

实现518

8.6.3快速后验卡尔曼RLS

算法523

8.7LMS和RLS的参数比较523

8.8主成分分析(PCA)524

8.8.1主成分分析的计算527

8.8.2SangerGHAPCA的实现531

8.9独立成分分析(ICA)535

8.9.1白噪声化和正交化538

8.9.2独立成分分析算法538

8.9.3EASIICA算法的实现539

8.9.4备选BSS算法544

8.10语音和音频信号编码545

8.10.1A律和μ律编码546

8.10.2线性和自适应PCM

编码550

8.10.3模型化编码:LPC-10e

方法556

8.10.4MPEG音频编码方法557

8.11练习558

第9章微处理器设计565

9.1微处理器设计概述565

9.2微处理器的发展史566

9.2.1多功能微处理器简史566

9.2.2RISC微处理器简史568

9.2.3PDSP简史568

9.3指令集设计570

9.3.1寻址模式571

9.3.2数据流:零地址、单地址、

二地址和三地址设计577

9.3.3寄存器文件和存储器体系

结构581

9.3.4操作支持586

9.3.5下一次操作的定位588

9.4软件工具588

9.4.1词法分析589

9.4.2分析程序的开发599

9.5FPGA微处理器内核609

9.5.1硬内核微处理器610

9.5.2软内核微处理器616

9.6案例研究626

9.6.1T-RISC栈处理器626

9.6.2LISA小波处理器的设计632

9.6.3Nios自定义指令设计647

9.7练习653

第10章图像和视频处理665

10.1图像和视频处理概述665

10.1.1图像格式666

10.1.2基本图像处理操作671

10.2案例研究1:HDL中的

边缘检测673

10.2.1二维HDL滤波器设计676

10.2.2图像系统设计677

10.2.3VGA边缘检测系统的

组装679

10.3案例研究2:使用图像处理库

进行中值滤波691

10.3.1中值滤波器692

10.3.2HDL中的中值滤波器693

10.3.3Nios中值滤波图像处理

系统695

10.3.4SW中的中值滤波器697

10.4案例研究3:视频处理中的

运动检测由自定义协处理器

改进701

10.4.1运动检测702

10.4.2ME协处理器设计703

10.4.3视频压缩标准706

练习708

附录A设计实例的Verilog源代码713

附录B设计实例的合成结果573

附录CVHDL和Verilog编码的

z关键字789

附录D学习资料791

附录E术语汇编799

参考文献809

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