数字信号处理的FPGA实现

定　　价：128 元

• 作者：(德) Uwe Meyer-Baese著
• 出版时间：2017/5/1
• ISBN：9787302469117
• 出 版 社：清华大学出版社

• 中图法分类：TN911.72 
• 页码：828
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K

内容简介

本书首先概述了当前的FPGA技术、器件, 以及用于设计先进的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, 以及高级滤波器等。

编辑推荐

        本版新增了总计150多页内容，包括11个全新的系统设计理念，其中一些有超过100个嵌入式乘法器的需求。

序 言

　　近年来，FPGA的复杂性不断提高，现在我们可以用单个FPGA构建大型的DSP系统。新型的元件现在包含数以百计的嵌入式乘法器和大容量片上存储器。由于之前版本主要研究优化系统的规模，目前系统设计问题就变得尤为重要。关于此类问题的研究可以用更大规模的任务来实现，例如PCA(主成分分析)或ICA(独立分量分析)算法、图像和视频处理系统或者本版中讨论的新的256点FFT设计。本版新增了总计150多页内容，包括11个全新的系统设计理念，其中一些有超过100个嵌入式乘法器的需求。第4版的创新主要包括以下几方面：

　　●本书中的HDL仿真现在由Altera强大的ModelSim仿真器和Xilinx所设计的ISIM仿真器来实现。

　　●对于系统的设计，很多试验台数据现在由MATLAB或SIMULINK提供。

　　●介绍了新的使用VHDL-2008定点和浮点运算IEEE库的系统级设计。

　　●比较了直接全通IIR滤波器、双四边形滤波器、晶格滤波器和波数字滤波器。

　　●实现了ICA和PCA算法。

　　●讨论并采用HDL实现了将A律、ADPCM转换为MP3的语音和音频压缩方法。

　　●基于HDL和嵌入式微处理器讨论了用于边缘检测和中值滤波的图像处理算法。

　　●讨论了使用具有自定义指令的微处理器的运动补偿的视频处理。

　　●提供来自Altera和Xilinx的SIMULINK工具箱的设计实例以及支持XilinxISE和ISIM仿真。

　　●就在撰写本书时，更新和错误修复报告将发布在作者的网页上：www.eng.fsu.edu/~umb。

　　致谢

　　在一些相关讨论中，很多同事和同学对第3版提出了反馈意见，并再次帮助我对本书进行改进。感谢：R.Adhami、M.Abd-EI-Hameed、C.Allen、S.Amalkar、A.Andrawis、G.Ascheid、P.Athanas、S.Badave、R.Badeau、S.Bald、A.Bardakcioglu、P.Bendixen、C.Betancourth、R.Bhakthavatchalu、G.Birkelbach、T.Borsodi、F.Casado、E.Castillo、O.Calvo、P.Cayuela、A.Celebi、C.-H.Chang、A.Chanerley、K.Chapman、I.Chiorescu、G.Connelly、S.Connors、J.Coutu、S.Cox、S.David、R.Deka、A.Dempster、J.Domingo、A.Elias、F.Engel、R.vanEngelen、H.Fan、S.Foo、T.Fox、M.Frank、J.Gallagher、A.Garcia、M.Gerhardt、A.Ghalame、G.Glandon、S.Grunwald、A.Guerrero、W.Guolin、O.Gustafsson、H.Hamel、S.Hashim、S.Hedayat、D.Hodali、S.Hong、K.Huang、F.Koushanfar、M.Kumm、M.Krishna、H.LeFevre、R.Leupers、S.Liljeqvist、A.Littek、A.Lloris、M.Luqman、V.Madan、M.Manikandan、J.Mark、B.McKenzie、H.Meyr、P.Mishra、A.Mitra、I.Miu、J.Moorhead、S.Moradi、F.Munsche、Z.Navabi、L.Oniciuc、B.Parhami、S.Park、L.Parrilla、V.Pedroni、R.Pereira、R.Perry、A.Pierce、F.Poderico、G.Prinz、D.Raic、N.Rafla、S.Rao、N.Relia、F.Rice、D.Romero、D.Sarma、P.Sephra、W.Sheng、T.Taguchi、N.Trong、C.Unterrieder、G.Wall、G.Vang、Y.Wang、R.Weihua、J.Wu、J.Xu、O.zavala-Romero、P.Zipf、D.Zhang、L.Zhang、M.Zhang。

　　特别感谢我的(使用FPGA的EEL5722DSP)春季班的同学。感谢NickStroupe在DWT去噪项目、YeYang在LPC项目、SoumakMookherjee在256点FFT项目、NarenNagaraj在全通滤波器项目、VenkataPothavajhala在双二阶浮点设计、HaojunYang在网格滤波器设计，以及CrispinOdom在ICA项目和MS论文中所做的工作。

　　特别感谢马德里大学的GuillermoBotella和DiegoGonzález在图像和视频处理章节中给予的帮助。

　　同样还要特别感谢DavidBishop和HuibertLincklaen对本书学习资料中使用他们的库的许可。

　　关于Altara，我要感谢BenEsposito、M.Phipps、RaleneMaroccia、BlairFort和StephenBrown，感谢他们提供的软硬件支持。在Xilinx支持方面，A.Vera、M.Pattichis、CraigKief和ParimalPatel。

　　关于出版商(Springer-Verlag)，我要感谢Baumann博士的耐心帮助，他提供了对本书进行更新的宝贵机会。

　　如果读者有任何关于本书的改进意见，请发邮件到[e-mail]，或者通过出版商直接联系我，本人将不胜感激。

　　UweMeyer-Baese

　　塔拉哈西，2014年1月

作者介绍

   　Uwe Meyer-Baese在德国南部的达姆施塔特技术大学讲授了多年的FPGA通信系统设计课程，过去10年中他在达姆施塔特技术大学和美国佛罗里达大学指导了60多篇硕士研究生毕业论文，基于丰富的教学经验，他曾经撰写过有关数字信号处理方面的多本教材。

目 录

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 

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 

3.2 FIR理论 163 

3.2.1 具有转置结构的FIR 

滤波器 164 

3.2.2 FIR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 

3.4.4 IP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 

4.1 IIR数字滤波器概述 205 

4.2 IIR理论 208 

4.3 IIR系数的计算 210 

4.4 IIR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 

4.5.3 IIR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 

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 

5.1.1 Noble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 

5.3 Hogenauer CIC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 

5.3.4 Hogenaur“剪除”理论 293 

5.3.5 CIC RNS设计 298 

5.3.6 CIC 补偿滤波器设计 300 

5.4 多级抽取器 302