數字信號處理的 FPGA 實現, 4/e

"　　FPGA正在掀起一場數字信號處理的變革。本書旨在講解前端數字信號處理算法的高效實現。首先概述了當前的FPGA技術、器件以及用於設計最先進DSP系統的工具。第1章的案例研究是40多個設計示例的基礎。隨後幾章闡述了電腦算法的概念、理論、FIR和IIR濾波器的實現、多抽樣率數字信號系統、DFT和FFT算法、未來很可能實現的高級算法以及自適應濾波器等。每一章都包含練習。附錄中給出了Verilog源代碼和術語。 ◆　超過10個使用VHDL和Verilog設計的新的系統級案例研究 ◆　新增一章專門介紹圖像和視頻處理 ◆　更新後的Altera Quartus和全新的ModelSim模擬工具 ◆　Xilinx Atlys板卡和ISIM模擬支持 ◆　有符號定點數和浮點數IEEE庫示例 ◆　概述並行全通IIR濾波器設計 ◆　CA和PCA系統級設計 ◆　MP3和ADPCM的語音和音頻編碼"

 

目    錄

 

第1章  緒論 1

1.1  數字信號處理技術概述 1

1.2  FPGA技術 2

1.2.1  按顆粒度分類 3

1.2.2  按技術分類 6

1.2.3  FPL的基準 7

1.3  DSP的技術要求 11

1.4  設計實現 13

1.4.1  FPGA的結構 17

1.4.2  Altera EP4CE115F29C7 21

1.4.3  案例研究：頻率合成器 27

1.4.4  用知識產權內核進行設計 34

1.5  練習 39

第2章  電腦算法 53

2.1  電腦算法概述 53

2.2  數字表示法 53

2.2.1  定點數 54

2.2.2  非傳統定點數 57

2.2.3  浮點數 68

2.3  二進制加法器 71

2.3.1  流水線加法器 74

2.3.2  模加法器 77

2.4  二進制乘法器 78

2.5  二進制除法器 84

2.5.1  線性收斂的除法算法 85

2.5.2  快速除法器的設計 90

2.5.3  陣列除法器 95

2.6  定點算法的實現 96

2.7  浮點算法的實現 98

 

2.7.1  定點數到浮點數的格式

轉換 98

2.7.2  浮點數到定點數的格式

轉換 99

2.7.3  浮點數乘法 100

2.7.4  浮點數加法 101

2.7.5  浮點數除法 103

2.7.6  浮點數倒數 104

2.7.7  浮點操作集成 105

2.7.8  浮點數合成結果 109

2.8  MAC與SOP 111

2.8.1  分佈式算法基礎 112

2.8.2  有符號的DA系統 114

2.8.3  改進的DA解決方案 115

2.9  利用CORDIC計算特殊

函數 117

2.10  用MAC調用計算特殊

函數 125

2.10.1  切比雪夫逼近 125

2.10.2  三角函數的逼近 127

2.10.3  指數函數和對數函數的

逼近 135

2.10.4  平方根函數的逼近 141

2.11  快速幅度逼近 147

練習 150

第3章  FIR數字濾波器 163

3.1  數字濾波器概述 163

3.2  FIR理論 163

3.2.1  具有轉置結構的FIR

濾波器 164

3.2.2  FIR濾波器的對稱性 167

3.2.3  線性相位FIR濾波器 168

3.3  設計FIR濾波器 169

3.3.1  直接窗函數設計方法 170

3.3.2  等波紋設計方法 172

3.4  常系數FIR設計 174

3.4.1  直接FIR設計 174

3.4.2  具有轉置結構的FIR

濾波器 178

3.4.3  採用分佈式算法的FIR

濾波器 183

3.4.4  IP內核FIR濾波器設計 193

3.4.5  基於DA和基於RAG的

FIR濾波器的比較 196

3.5  練習 197

第4章  IIR數字濾波器 205

4.1  IIR數字濾波器概述 205

4.2  IIR理論 208

4.3  IIR系數的計算 210

4.4  IIR濾波器的實現 213

4.4.1  有限字長效應 216

4.4.2  濾波器增益系數的優化 217

4.5  快速IIR濾波器 218

4.5.1  時域交叉 218

4.5.2  群集和分散預測的流水線

技術 220

4.5.3  IIR抽取器設計 222

4.5.4  並行處理 223

4.5.5  採用RNS的IIR設計 226

4.6  窄帶IIR濾波器 226

4.6.1  窄帶設計示例 227

4.6.2  級聯二階系統窄帶濾波器

設計 234

4.6.3  並聯二階系統窄帶濾波器

設計 237

4.6.4  窄帶IIR濾波器的網格

濾波器設計 244

4.6.5  窄帶IIR濾波器的波形

數字濾波器設計 251

4.7  窄帶IIR濾波器的全通濾波器

設計 257

4.7.1  窄帶IIR濾波器的全通波形

數字濾波器設計 259

4.7.2  窄帶IIR濾波器的全通網格

設計 263

4.7.3  窄帶濾波器的全通直接型

設計 263

4.7.4  窄帶濾波器的全通級聯雙

二階設計 263

4.7.5  窄帶濾波器的全通並行雙

二階設計 263

4.8  練習 267

第5章 多級信號處理 273

5.1  抽取和插值 273

5.1.1  Noble恆等式 275

5.1.2  用有理數因子進行採樣速率

轉換 276

5.2  多相分解 276

5.2.1  遞歸IIR抽取器 281

5.2.2  快速FIR濾波器 281

5.3  Hogenauer CIC濾波器 284

5.3.1  單級CIC案例研究 284

5.3.2  多級CIC濾波器理論 287

5.3.3  幅值與混疊畸變 291

5.3.4  Hogenaur“剪除”理論 293

5.3.5  CIC RNS設計 298

5.3.6  CIC 補償濾波器設計 300

5.4  多級抽取器 302

5.5  作為通頻帶抽取器的頻率

採樣濾波器 305

5.6  任意採樣速率轉換器的設計 308

5.6.1  分數延遲速率變換 311

5.6.2  多項式分數延遲設計 318

5.6.3  基於B樣條的分數速率

變換器 324

5.6.4  MOMS分數速率變換器 328

5.7  濾波器組 335

5.7.1  均勻DFT濾波器組 336

5.7.2  雙通道濾波器組 339

5.7.3  實現雙通道濾波器組 344

5.8  小波 353

5.8.1  離散小波變換 355

5.8.2  離散小波變換的應用 358

5.9  練習 366

第6章 傅立葉變換 373

6.1  傅立葉變換概述 373

6.2  離散傅立葉變換算法 374

6.2.1  用DFT近似傅立葉變換 374

6.2.2  DFT的性質 376

6.2.3  Goertzel算法 378

6.2.4  Bluestein Chirp-z變換 379

6.2.5  Rader算法 382

6.2.6  Winograd DFT算法 388

6.3  快速傅立葉變換算法 390

6.3.1  Cooley-Tukey FFT算法 391

6.3.2  Good-Thomas FFT算法 401

6.3.3  Winograd FFT算法 404

6.3.4  DFT和FFT算法的比較 407

6.3.5  IP內核FFT設計 409

6.4  與傅立葉相關的變換 413

6.4.1  利用DFT計算DCT 414

6.4.2  快速直接DCT實現 415

6.5  練習 417

第7章  通信系統 427

7.1  差錯控制和加密技術 427

7.1.1  編碼理論的基本概念 428

7.1.2  分組碼 432

7.1.3  捲積碼 436

7.1.4  FPGA的加密算法 443

7.2  調制和解調 457

7.2.1  基本的調制概念 457

7.2.2  非相乾解調 462

7.2.3  相乾解調 467

7.3  練習 474

第8章 自適應系統 479

8.1  自適應系統的應用 479

8.1.1  乾擾消除 480

8.1.2  預測 480

8.1.3  反演模擬 481

8.1.4  系統辨識 481

8.2  最優估計技術 482

8.3  Widrow-Hoff最小二乘法

算法 488

8.3.1  學習曲線 494

8.3.2  標準化LMS(NLMS) 496

8.4  變換域LMS算法 498

8.4.1  快速捲積技術 498

8.4.2  應用正交變換 499

8.5  LMS算法的實現 502

8.5.1  量化效應 502

8.5.2  LMS算法的FPGA設計 503

8.5.3  流水線LMS濾波器 505

8.5.4  轉置形式的LMS濾波器 507

8.5.5  DLMS算法的設計 507

8.5.6  應用Signum函數的LMS

設計 511

8.6  遞歸最小二乘法算法 513

8.6.1  有限記憶的RLS算法 516

8.6.2  快速RLS算法的卡爾曼

實現 518

8.6.3  快速後驗卡爾曼RLS

算法 523

8.7  LMS和RLS的參數比較 523

8.8  主成分分析(PCA) 524

8.8.1  主成分分析的計算 527

8.8.2  Sanger GHA PCA的實現 531

8.9  獨立成分分析(ICA) 535

8.9.1  白噪聲化和正交化 538

8.9.2  獨立成分分析算法 538

8.9.3  EASI ICA算法的實現 539

8.9.4  備選BSS算法 544

8.10  語音和音頻信號編碼 545

8.10.1  A律和μ律編碼 546

8.10.2  線性和自適應PCM

編碼 550

8.10.3  模型化編碼：LPC-10e

方法 556

8.10.4  MPEG音頻編碼方法 557

8.11  練習 558

第9章 微處理器設計 565

9.1  微處理器設計概述 565

9.2  微處理器的發展史 566

9.2.1  多功能微處理器簡史 566

9.2.2  RISC微處理器簡史 568

9.2.3  PDSP簡史 568

9.3  指令集設計 570

9.3.1  尋址模式 571

9.3.2  數據流：零地址、單地址、

二地址和三地址設計 577

9.3.3  寄存器文件和存儲器體系

結構 581

9.3.4  操作支持 586

9.3.5  下一次操作的定位 588

9.4  軟件工具 588

9.4.1  詞法分析 589

9.4.2  分析程序的開發 599

9.5  FPGA微處理器內核 609

9.5.1  硬內核微處理器 610

9.5.2  軟內核微處理器 616

9.6  案例研究 626

9.6.1  T-RISC棧處理器 626

9.6.2  LISA小波處理器的設計 632

9.6.3  Nios自定義指令設計 647

9.7  練習 653

第10章 圖像和視頻處理 665

10.1  圖像和視頻處理概述 665

10.1.1  圖像格式 666

10.1.2  基本圖像處理操作 671

10.2  案例研究1：HDL中的

邊緣檢測 673

10.2.1  二維HDL濾波器設計 676

10.2.2  圖像系統設計 677

10.2.3  VGA邊緣檢測系統的

組裝 679

10.3  案例研究2：使用圖像處理庫

進行中值濾波 691

10.3.1  中值濾波器 692

10.3.2  HDL中的中值濾波器 693

10.3.3  Nios中值濾波圖像處理

系統 695

10.3.4  SW中的中值濾波器 697

10.4  案例研究3：視頻處理中的

運動檢測由自定義協處理器 

改進 701

10.4.1  運動檢測 702

10.4.2  ME協處理器設計 703

10.4.3  視頻壓縮標準 706

練習 708

附錄A  設計實例的Verilog源代碼 713

附錄B  設計實例的合成結果 573

附錄C  VHDL和Verilog編碼的

z關鍵字 789

附錄D  學習資料 791

附錄E  術語匯編 799

參考文獻 809