数字信号处理的FPGA实现（第4版）

目 录

第1章 绪论 1

1.1 数字信号处理技术概述 1

1.2FPGA技术 2

1.2.1按颗粒度分类 3

1.2.2按技术分类 6

1.2.3FPL的基准 7

1.3DSP的技术要求 11

1.4 设计实现 13

1.4.1FPGA的结构 17

1.4.2Altera 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

2.8MAC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

3.2FIR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

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

5.3Hogenauer 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

5.3.4Hogenaur“剪除”理论 293

5.3.5CIC RNS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

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

6.2.4Bluestein Chirp-z变换 379

6.2.5Rader算法 382

6.2.6Winograd DFT算法 388

6.3 快速傅立叶变换算法 390

6.3.1Cooley-Tukey FFT算法 391

6.3.2Good-Thomas FFT算法 401

6.3.3Winograd FFT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DCT 414

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

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

8.8.2Sanger GHA PCA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

8.9.3EASI ICA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C VHDL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