數字信號處理的FPGA實現（第4版）

第1章 緒論1
1.1數字信號處理技術概述1
1.2FPGA技術2
1.2.1按顆粒度分類3
1.2.2按技術分類6
1.2.3FPL的基准7
1.3DSP的技術要求11
1.4設計實現13
1.4.1FPGA的結構17
1.4.2Altera EP4CE115F29C721
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 計算機算法53
2.1計算機算法概述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
2.8MAC與SOP111
2.8.1分布式算法基礎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
3.2FIR理論163
3.2.1具有轉置結構的FIR濾波器164
3.2.2FIR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采用分布式算法的FIR濾波器183
3.4.4IP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
4.1IIR數字濾波器概述205
4.2IIR理論208
4.3IIR系數的計算210
4.4IIR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
4.5.3IIR抽取器設計222
4.5.4並行處理223
4.5.5采用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
5.1.1Noble恆等式275
5.1.2用有理數因子進行采樣速率轉換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
5.3Hogenauer 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
5.3.4Hogenaur「剪除」理論293
5.3.5CICRNS設計298
5.3.6CIC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采樣濾波器305
5.6任意采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
5.6.4MOMS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
6.2.2DFT的性質376
6.2.3Goertzel算法378
6.2.4Bluestein Chirp—z變換379
6.2.5Rader算法382
6.2.6Winograd DFT算法388
6.3快速傅立葉變換算法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算法的比較407
6.3.5IP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DCT414
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卷積碼436
7.1.4FPGA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非相干解調462
7.2.3相干解調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干擾消除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
8.3Widrow—Hoff最小二乘法算法488
8.3.1學習曲線494
8.3.2標准化LMS（NLMS）496
8.4變換域LMS算法498
8.4.1快速卷積技術498
8.4.2應用正交變換499
8.5LMS算法的實現502
8.5.1量化效應502
8.5.2LMS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
8.5.5DLMS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快速后驗卡爾曼RLS算法523
8.7LMS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
8.8.2Sanger 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
8.9.3EASIICA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
8.10.1A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
8.10.4MPEG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
9.2.2RISC微處理器簡史568
9.2.3PDSP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
9.5FPGA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
9.6.1T—RISC棧處理器626
9.6.2LISA小波處理器的設計632
9.6.3Nios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
10.2.3VGA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
10.3.2HDL中的中值濾波器693
10.3.3Nios中值濾波圖像處理系統695
10.3.4SW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
10.4.2ME協處理器設計703
10.4.3視頻壓縮標准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CVHDL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

近年來，FPGA的復雜性不斷提高，現在我們可以用單個FPGA構建大型的DSP系統。新型的元件現在包含數以百計的嵌入式乘法器和大容量片上存儲器。由於之前版本主要研究優化系統的規模，目前系統設計問題就變得尤為重要。關於此類問題的研究可以用更大規模的任務來實現，例如PCA(主成分分析)或ICA(獨立分量分析)算法、圖像和視頻處理系統或者本版中討論的新的256點 FFT設計。本版新增了總計150多頁內容，包括11個全新的系統設計理念，其中一些有超過100個嵌入式乘法器的需求。第4版的創新主要包括以下幾方面：