Xilinx FPGA数字信号处理权威指南

第一篇DSP系统的组成和处理方法

第1章信号处理理论

1．1信号定义及分类

1．2信号增益与衰减

1．3信号失真及测量

1．3．1放大器失真

1．3．2信号谐波失真

1．3．3谐波失真测量

1．4噪声及处理方法

1．4．1噪声的定义及表示

1．4．2固有噪声电平

1．4．3噪声/失真链

1．4．4信噪比定义及表示

1．4．5信号的提取方法

1．5模拟信号及处理方法

1．5．1模拟I/O信号的处理

1．5．2模拟通信信号处理

1．6数字信号处理关键问题

1．6．1数字信号处理系统结构

1．6．2信号调理方法

1．6．3模数转换器ADC及量化效应

1．6．4数模转换器DAC和信号重建

1．6．5SFDR的定义及测量

1．7通信信号软件处理方法

1．7．1软件无线电的定义

1．7．2IF的软件无线电实现

1．7．3信道化处理

1．7．4基站软件无线电接收机

1．7．5SR采样技术

1．7．6直接数字下变频

1．7．7带通采样失败的解决

第2章数字信号处理实现方法

2．1数字信号处理技术概念

2．1．1数字信号处理技术的发展

2．1．2数字信号处理算法的分类

2．1．3数字信号处理实现方法

2．2基于DSP的数字信号处理实现方法

2．2．1DSP的结构特点

2．2．2DSP的运行代码及性能

2．3基于FPGA的数字信号处理实现方法

2．3．1FPGA原理

2．3．2FPGA的逻辑资源

2．3．3FPGA的高性能处理

2．3．4FPGA的最新发展

第3章数字的表示和运算的实现

3．1整数的表示方法

3．1．1二进制原码格式

3．1．2二进制反码格式

3．1．3二进制补码格式

3．2整数值运算的HDL描述

3．2．1整数加法的HDL描述

3．2．2整数减法的HDL描述

3．2．3整数乘法的HDL描述

3．2．4整数除法的HDL描述

3．3定点数的表示方法

3．3．1定点二进制数格式

3．3．2定点量化

3．3．3归一化处理

3．3．4小数部分截断

3．3．5一种不同的方法Trounding

3．4定点数运算的HDL描述

3．4．1定点数加法的HDL描述

3．4．2定点数减法的HDL描述

3．4．3定点乘法的HDL描述

3．4．4定点除法的HDL描述

3．5浮点数的表示方法

3．5．1浮点数的格式

3．5．2浮点数的短指数表示

3．6浮点运算的HDL描述

3．6．1单精度浮点数加法的HDL描述

3．6．2单精度浮点数减法的HDL描述

3．6．3单精度浮点数乘法的HDL描述

3．6．4单精度浮点数除法的HDL描述

第二篇数字信号处理基本理论和FPGA实现方法

第4章CORDIC算法原理及实现

4．1CORDIC算法原理

4．1．1圆坐标系旋转

4．1．2线性坐标系旋转

4．1．3双曲线坐标系旋转

4．1．4CORDIC算法一般描述

4．2CORDIC算法性能分析

4．2．1输出量化误差的确定

4．2．2近似误差的分析

4．2．3舍入误差的分析

4．2．4有效位deff的估算

4．2．5预测与仿真

4．3CORDIC硬件实现原理

4．3．1CORDIC循环结构的实现原理

4．3．2CORDIC非循环结构的实现原理

4．3．3实现CORDIC的非循环的流水线结构

4．3．43种实现方式的性能比较

4．4CORDIC算法收敛性及实现

4．4．1CORDIC算法收敛性原理

4．4．2CORDIC象限映射实现

4．4．3向量模式的CORDIC迭代实现

4．4．4旋转模式的CORDIC迭代实现

4．5CORDIC子系统的设计

4．5．1CORDIC单元的设计

4．5．2参数化CORDIC单元

4．5．3旋转后标定的实现

4．5．4旋转后的象限解映射

4．6圆形坐标系算术功能的设计

4．6．1反正切的实现

4．6．2正弦和余弦的实现

4．6．3向量幅度的计算

4．7流水线技术的CORDIC实现

4．7．1带有流水线并行阵列的实现

4．7．2串行结构实现

4．7．3比较并行和串行实现

4．8向量幅值精度的研究

4．8．1CORDIC向量幅度： 设计任务

4．8．2验证计算精度

第5章离散傅里叶变换原理及信号频谱分析实现

5.1傅里叶变换的几种形式

5.1.1连续时间、连续频率——连续傅里叶变换

5.1.2连续时间、离散频率——傅里叶级数

5.1.3离散时间、连续频率——序列的傅里叶变换

5.1.4离散时间、离散频率——离散傅里叶变换

5.2周期序列的离散傅里叶级数

5.3离散傅里叶变换

5.4离散傅里叶级数与离散傅里叶变换的关系

5.5离散傅里叶变换和z变换的关系

5.6离散傅里叶变换的性质

5.6.1线性

5.6.2循环移位定理

5.6.3循环卷积定理

5.6.4复共轭序列的DFT

5.6.5DFT的共轭对称性

5.7频率域抽样理论

5.8离散傅里叶变换应用举例

5.9离散傅里叶变换的信号谱分析

5.9.1连续信号谱分析

5.9.2谱分析存在的问题

5.10离散傅里叶变换信号分析的实现

5.10.1构建频谱分析模型

5.10.2配置模型参数

5.10.3设置仿真参数

5.10.4运行和分析仿真结果

第6章快速傅里叶变换FFT

6.1FFT的发展背景

6.2FFT快速变换的需求

6.3按时间抽取的基-2 FFT算法

6.3.1按时间抽取的基-2 FFT算法原理

6.3.2运算量分析

6.4按频率抽取的基-2 FFT算法

6.4.1按频率抽取的基-2 FFT算法原理

6.4.2运算量分析

6.5离散傅里叶反变换的快速计算

6.6混合基FFT算法

6.7FFT的C模型描述和实现

6.7.1创建新的设计工程

6.7.2创建源文件

6.7.3设计综合

6.7.4创建仿真测试文件

6.7.5运行协同仿真

6.7.6添加PIPELINE命令

6.7.7添加ARRAY_PARTITION命令

第7章离散余弦变换原理及实现

7.1DCT的定义

7.2DCT-2和DFT的关系

7.3DCT变换的应用

7.4二维DCT变换原理

7.4.1二维DCT变换方法

7.4.2二维DCT算法描述

7.5二维DCT变换实现

7.5.1创建新的设计工程

7.5.2创建源文件

7.5.3设计综合

7.5.4创建仿真测试文件

7.5.5运行协同仿真

7.5.6添加PIPELINE命令

7.5.7修改PIPELINE命令

7.5.8添加PARTITION命令

7.5.9添加DATAFLOW命令

7.5.10添加INLINE命令

7.5.11添加RESHAPE命令

7.5.12修改RESHAPE命令

第8章FIR滤波器和IIR滤波器原理及实现

8.1模拟到数字滤波器的转换

8.1.1微分方程近似

8.1.2双线性交换

8.2数字滤波器的分类和应用

8.3FIR数字滤波器的原理和结构

8.3.1FIR数字滤波器的特性

8.3.2FIR滤波器的设计规则

8.3.3FIR滤波器的转置结构

8.4IIR数字滤波器的原理和结构

8.4.1IIR滤波器的原理

8.4.2IIR滤波器的模型

8.4.3IIR滤波器的z域分析

8.4.4IIR滤波器的性能及稳定性

8.5DA FIR滤波器的设计

8.5.1DA FIR滤波器的设计原理

8.5.2移位寄存器模块设计

8.5.3查找表模块的设计

8.5.4查找表加法器模块的设计

8.5.5缩放比例加法器模块的设计

8.5.6DA FIR滤波器完整的设计

8.6MAC FIR滤波器设计

8.6.112×8乘和累加器模块的设计

8.6.2数据控制逻辑模块设计

8.6.3地址生成器模块的设计

8.6.4完整的MAC FIR滤波器的设计

8.7FIR Compiler滤波器的设计

8.7.1生成FIR滤波器系数

8.7.2建模FIR滤波器模型

8.7.3仿真FIR滤波器模型

8.7.4修改FIR滤波器模型

8.7.5仿真修改后FIR滤波器模型

8.8HLS FIR滤波器的设计

8.8.1设计原理

8.8.2设计FIR滤波器

8.8.3运行仿真和验证功能

8.8.4设计综合

8.8.5设计优化

8.8.6Vivado环境下的RTL仿真

第9章其他类型数字滤波器原理及实现

9.1滑动平均滤波器原理及结构

9.1.1滑动平均一般原理

9.1.28权值滑动平均结构及特性

9.1.39权重滑动平均结构及特性

9.1.4滑动平均滤波器的转置结构

9.2微分器和积分器原理及特性

9.2.1微分器原理及特性

9.2.2积分器原理及特性

9.3积分梳状滤波器原理及特性

9.4中频调制信号产生和解调

9.4.1中频调制信号的产生

9.4.2中频调制信号的解调

9.4.3CIC提取基带信号

9.4.4CIC滤波器的衰减及修正

9.5CIC滤波器实现方法

9.6CIC滤波器位宽确定

9.6.1CIC抽取滤波器位宽确定

9.6.2CIC插值滤波器位宽确定

9.7CIC滤波器的锐化

9.7.1SCIC滤波器的特性

9.7.2ISOP滤波器的特性

9.8CIC滤波器的递归和非递归结构

9.9CIC滤波器的实现

9.9.1单级定点CIC滤波器的设计

9.9.2滑动平均滤波器的设计

9.9.3多级定点CIC滤波器的设计

9.9.4浮点CIC滤波器的设计

9.9.5CIC插值和抽取滤波器的设计

第10章重定时信号流图原理及实现

10.1信号流图基本概念

10.1.1信号流图关键路径

10.1.2信号流图的延迟

10.2割集重定时及规则

10.2.1割集重定时概念

10.2.2割集重定时规则1

10.2.3割集重定时规则2

10.2.4两种重定时FIR的信号流图

10.3脉动阵列及重定时

10.3.1脉动阵列概念

10.3.2FIR滤波器脉动阵列及重定时

10.3.3IIR滤波器脉动阵列及重定时

10.4自适应滤波器的SFG

第三篇通信信号处理理论和FPGA实现方法

第11章通信信号处理原理及实现

11.1信号检测理论

11.1.1概率的柱状图表示

11.1.2概率密度函数

11.2二进制基带数据传输

11.2.1脉冲整形

11.2.2基带传输信号接收错误

11.2.3匹配滤波器的应用

11.3信号调制技术

11.3.1信道与带宽

11.3.2信号调制技术

11.3.3数字信号的传输

11.4脉冲整形滤波器原理及实现

11.4.1脉冲整形滤波器原理

11.4.2上采样-滤波器脉冲整形的实现

11.4.3多相内插脉冲整形滤波器的实现

11.4.4量化和频谱屏蔽的实现

11.5发射机原理及实现

11.5.1发射机原理

11.5.2发射机实现

11.6脉冲生成和匹配滤波器的实现

11.6.1脉冲生成原理和实现

11.6.2匹配滤波器原理和实现

11.7接收机原理及实现

11.7.1接收机原理

11.7.2理想信道接收机实现

11.7.3非理想信道接收机实现

第12章数控振荡器原理及实现

12.1数控振荡器的原理

12.2查找表数控振荡器原理及实现

12.2.1查找表数控振荡器原理

12.2.2使用累加器生成一个斜坡函数

12.2.3累加器精度的影响分析

12.2.4使用查找表生成正弦波

12.2.5分析步长对频率分辨率的影响

12.2.6频谱纯度的分析

12.2.7分析查找表深度和无杂散动态范围

12.2.8查找表深度和实现成本

12.2.9动态频率的无杂散动态范围

12.2.10带有抖动的无杂散动态范围

12.2.11调谐抖动个数

12.2.12创建一个抖动信号

12.3IIR滤波器数控振荡器原理及实现

12.3.1IIR滤波器数控振荡器原理

12.3.2使用IIR滤波器生成正弦波振荡器

12.3.3IIR振荡器的频谱纯度分析

12.3.432位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器

12.3.512位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器

12.3.68位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器

12.4CORDIC数控振荡器实现

12.4.1象限修正正弦/余弦 CORDIC振荡器

12.4.2锯齿波驱动正弦/余弦CORDIC振荡器

第13章信号同步原理实现

13.1信号的同步问题

13.2符号定时及定时恢复

13.2.1符号定时原理

13.2.2符号定时恢复

13.2.3载波相位偏移及控制

13.2.4帧同步原理

13.2.5数字下变频原理

13.2.6BPSK接收信号的同步原理

13.3数字变频器原理及实现

13.3.1数字上变频原理及实现

13.3.2数字下变频原理及实现

13.4锁相环原理及实现

13.4.1锁相环原理

13.4.2相位检测器的实现

13.4.3环路滤波器的实现

13.4.4相位检测器和环路滤波器的实现

13.4.52型PLL的实现

13.4.61型PLL和2型PLL性能比较

13.4.7噪声对2型 PLL的影响

13.5载波同步的实现

13.5.1科斯塔斯环的实现

13.5.2平方环的实现

13.6定时同步的实现

13.6.1匹配滤波器和最大有效点

13.6.2超前滞后门同步器

第四篇数字图像处理理论和FPGA实现方法

第14章数字图像处理原理及实现

14.1数字图像处理基本方法

14.1.1灰度变换

14.1.2直方图处理

14.1.3空间滤波

14.2System Generator数字图像处理实现

14.2.1打开图像滤波器设计

14.2.2分析数字图像滤波器

14.2.3分析输入和输出缓存模块

14.2.4准备硬件协同仿真

14.2.5运行硬件协同仿真

14.3HLS图像边缘检测实现

14.3.1创建新的设计工程

14.3.2创建源文件

14.3.3设计综合

14.3.4创建仿真测试文件

14.3.5运行协同仿真

14.3.6添加循环控制命令

14.3.7添加DATAFLOW命令

14.3.8添加INLINE命令

第15章动态视频拼接原理及实现

15.1视频拼接技术发展

15.2图像拼接理论及关键方法

15.2.1图像拼接系统概述

15.2.2图像拼接流程

15.2.3图像采集及表示

15.2.4图像配准和融合

15.2.5图像拼接演示

15.3图像配准方法的原理及实现

15.3.1基于MATLAB的图像配准系统

15.3.2关键点配准法

15.3.3SIFT图像配准算法

15.3.4模板匹配法

15.3.5灰度信息法

15.3.6频域相位相关算法

15.3.7图像配准方法对比与评价

15.4视频拼接系统的设计与实现

15.4.1视频拼接技术

15.4.2视频拼接方法

15.4.3视频拼接系统的实现

15.5FPGA视频拼接系统硬件实现

15.5.1系统结构

15.5.2系统硬件平台总体设计

15.5.3视频数据采集模块

15.5.4视频数据存储模块

15.5.5视频数据显示模块

15.5.6系统硬件平台的测试

15.6FPGA视频拼接系统软件设计

15.6.1系统软件设计概述

15.6.2系统中断部分设计

15.6.3视频采集模块软件设计

15.6.4视频存储模块软件设计

15.6.5视频显示模块软件设计

15.6.6系统整体测试

15．7Vivado HLS图像拼接系统原理及实现

15．7．1OpenCV和HLS视频库

15．7．2AXI4流和视频接口

15．7．3OpenCV到RTL代码转换的流程

15．7．4Vivado HLS实现OpenCV的方法

15．7．5Vivado HLS实现图像拼接

第五篇自适应信号处理理论和FPGA实现方法

第16章自适应信号处理原理及实现

16.1自适应信号处理发展

16.2自适应信号处理系统

16.2.1通用信号处理系统结构

16.2.2FIR滤波器性能参数

16.2.3自适应滤波器结构

16.2.4通用自适应数字信号处理结构

16.2.5自适应信号处理系统模拟接口

16.2.6典型自适应数字信号处理结构

16.3自适应信号处理的应用

16.3.1信道辨识

16.3.2回波对消

16.3.3声学回音消除

16.3.4电线交流噪声抑制

16.3.5背景噪声抑制

16.3.6信道均衡

16.3.7自适应谱线增强

16.4自适应信号处理算法

16.4.1自适应信号处理算法类型

16.4.2自适应滤波器结构

16.4.3维纳-霍普算法

16.4.4最小均方算法

16.4.5递归最小二次方算法

16.5LMS算法的硬件实现结构

16.5.1基本LMS结构

16.5.2串行LMS结构

16.5.3重定时SLMS结构

16.5.4非规范的LMS(NCLMS)结构

16.5.5流水线LMS结构

16.5.6超前技术

16.5.7PIPLMS结构

16.5.8复数LMS结构

16.5.9RLS和LMS技术的比较

16.6自适应滤波器的设计

16.6.1标准并行自适应LMS滤波器的设计

16.6.2非规范并行LMS滤波器的设计

16.6.3使用可配置LMS模块实现LMS音频

16.7自适应信号算法硬件实现方法

16.7.1最小二乘解的计算

16.7.2指数RLS算法实现

16.7.3QR-RLS算法原理及实现

16.8QR-RLS自适应滤波算法的实现

16.8.1QR算法的硬件结构

16.8.2QR-RLS的三数组方法

16.8.3QR边界单元的实现

16.8.4QR内部单元的实现

16.8.5QR数组的实现

参考文献

本书全面系统地从硬件描述语言、MATLAB Simlink模型和C语言三个方面，对Xilinx FPGA数字信号处理的实现原理和方法进行了详细的说明。全书内容涵盖了数字信号处理的主要理论知识，其中包含通用数字信号处理、数字通信信号处理和数字图像处理等方面。全书分为五篇，共计16章。内容包括： 信号处理理论基础、数字信号处理方法、数字的表示和运算的实现、CORDIC算法原理及实现、离散傅里叶变换原理及实现、快速傅里叶变换原理及实现、离散余弦变换原理及实现、FIR滤波器和IIR滤波器原理及实现、其他常用数字滤波器原理及实现、重定时信号流图原理及实现、通信信号处理原理及实现、数控振荡器原理及实现、信号同步原理及实现、数字图像处理原理及实现、动态视频拼接原理及实现、自适应信号处理原理及实现等内容。本书的设计环境使用了Xilinx最新的Vivado集成开发环境和Mathworks最新的MATLAB R2013a集成开发环境。在本书编写的过程中，参考了大量最新的设计资料和业界设计标准。本书内容新颖、理论和应用并重，充分反映了Xilinx 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高性能数字信号处理课程的本科和研究生教学参考书，亦可作为从事FPGA数字信号处理相关教师、研究生和科技人员的自学参考书，同时还可作为Xilinx公司大学计划教师和学生培训用书。