Xilinx FPGA数字信号处理系统设计指南：从HDL、Simulink到HLS的实现_何宾_9787121347474

本书从硬件描述语言(VHDL和Verilog HDL)、Simulink环境下的模型构建以及Xilinx高级综合工具下的C/C++程序设计3个角度，对采用Xilinx FPGA平台构建数字信号处理系统的方法进行详细的介绍与说明。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。全书共5篇21章，内容包括：信号处理理论基础，数字信号处理实现方法，数值的表示和运算，基于FPGA的数字信号处理的基本流程；CORDIC算法、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、离散余弦变换、FIR滤波器、IIR滤波器、重定时信号流图、多速率信号处理、串行和并行-串行FIR滤波器、多通道FIR滤波器以及其他常用数字滤波器的原理与实现；数控振荡器、通信信号处理和信号同步的原理与实现；递归结构信号流图的重定时，自适应信号处理的原理与实现；数字图像处理和动态视频拼接的原理与实现。

第一篇数字信号处理系统的组成和实现方法第1章信号处理理论基础 11信号定义和分类 12信号增益与衰减 13信号失真与测量 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噪声及其处理方法 141噪声的定义和表示 142固有噪声电平 143噪声/失真链 144信噪比定义和表示 145信号的提取方法 15模拟信号及其处理方法 151模拟I/O信号的处理 152模拟通信信号的处理 16数字信号处理的关键问题 161数字信号处理系统结构 162信号调理的方法 163模数转换器ADC及量化效应 164数模转换器(DAC)及信号重建 165SFDR的定义和测量 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2中频软件无线电实现 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的结构和流水线 222DSP的运行代码和性能 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实现数字信号处理的优势 234FPGA的最新发展 24FPGA执行数字信号处理的一些关键问题 241关键路径 242流水线 243延迟 244加法器 245乘法器 246并行/串行 247溢出的处理 25高性能信号处理的难点和技巧 251设计目标 252实现成本 253设计优化第3章数值的表示和运算 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整数加法运算的HDL描述 321无符号整数加法运算的HDL描述 322有符号整数加法运算的HDL描述 33整数减法运算的HDL描述 331无符号整数减法运算的HDL描述 332有符号整数减法运算的HDL描述 34整数乘法运算的HDL描述 341无符号整数乘法运算的HDL描述 342有符号整数乘法运算的HDL描述 35整数除法运算的HDL描述 351无符号整数除法运算的HDL描述 352有符号整数除法运算的HDL描述 36定点数的表示方法 361定点数的格式 362定点量化 363归一化处理 364小数部分截断 365一种不同的表示方法——Trounding 366定点数运算的HDL描述库 37定点数加法运算的HDL描述 371无符号定点数加法运算的HDL描述 372有符号定点数加法运算的HDL描述 38定点数减法运算的HDL描述 381无符号定点数减法运算的HDL描述 382有符号定点数减法运算的HDL描述 39定点数乘法运算的HDL描述 391无符号定点数乘法运算的HDL描述 392有符号定点数乘法运算的HDL描述 310定点数除法运算的HDL描述 3101无符号定点数除法运算的HDL描述 3102有符号定点数除法运算的HDL描述 311浮点数的表示方法 3111浮点数的格式 3112浮点数的短指数表示 312浮点数运算的HDL描述 3121单精度浮点数加法运算的HDL描述 3122单精度浮点数减法运算的HDL描述 3123单精度浮点数乘法运算的HDL描述 3124单精度浮点数除法运算的HDL描述第4章基于FPGA的数字信号处理的基本流程 41FPGA模型的设计模块 411Xilinx Blockset 412Xilinx Reference Blockset 42配置System Generator环境 43信号处理模型的构建与实现 431信号模型的构建 432模型参数的设置 433信号处理模型的仿真 434生成模型子系统 435模型HDL代码的生成 436打开生成设计文件并仿真 437协同仿真的配置与实现 438生成IP核 44编译MATLAB到FPGA 441模型的设计原理 442系统模型的建立 443系统模型的仿真 45高级综合工具HLS概述 451HLS的特性 452调度和绑定 453提取控制逻辑和I/O端口 46使用HLS实现两个矩阵相乘运算 461设计矩阵相乘模型 462添加C测试文件 463运行和调试C工程 464设计综合 465查看生成的数据处理图 466对设计执行RTL级仿真 467设计优化 468对优化后的设计执行RTL级仿真 47基于Model Composer的DSP模型构建 471Model Composer工具概述 472打开Model Composer工具 473创建一个矩阵运算实现模型 474修改设计中模块的参数 475执行仿真并分析结果 476产生输出 48在Model Composer导入C/C++代码作为定制模块 481建立C/C++代码 482将代码导入Model Composer 483将定制库添加到库浏览器中第二篇数字信号处理的基本理论和FPGA实现方法第5章CORDIC算法的原理与实现 51CORDIC算法原理 511圆坐标系旋转 512线性坐标系旋转 513双曲线坐标系旋转 514CORDIC算法通用表达式 52CORDIC循环和非循环结构硬件实现原理 521CORDIC循环结构的原理和实现方法 522CORDIC非循环结构的实现原理 523实现CORDIC非循环的流水线结构 53向量幅度的计算 54CORDIC算法的性能分析 541迭代次数对精度的影响 542总量化误差的确定 543近似误差的分析 544舍入误差的分析 545有效位deff的估算 546预测与仿真 55CORDIC算法的原理和实现方法 551CORDIC算法的收敛性 552CORDIC象限映射的实现 553向量模式下CORDIC迭代的实现 554旋转模式下CORDIC迭代的实现 56CORDIC子系统的设计 561CORDIC单元的设计 562参数化CORDIC单元 563旋转后标定的实现 564旋转后的象限解映射 57圆坐标系算术功能的设计 571反正切的实现 572正弦和余弦的实现 573向量幅度的计算 58流水线技术的CORDIC实现 581带有流水线并行阵列的实现 582串行结构的实现 583比较并行和串行的实现 59向量幅值精度的研究 591CORDIC向量幅度：设计任务 592验证计算精度第6章离散傅里叶变换的原理与实现 61模拟周期信号的分析——傅里叶级数 62模拟非周期信号的分析——傅里叶变换 63离散序列的分析——离散傅里叶变换 631离散傅里叶变换推导 632频率离散化推导 633DFT的窗效应 64短时傅里叶变换 65离散傅里叶变换的运算量 66离散傅里叶算法的模型实现 661分析复数乘法的实现方法 662分析复数加法的实现方法 663运行设计第7章快速傅里叶变换的原理与实现 71快速傅里叶变换的发展 72Danielson-Lanczos引理 73按时间抽取的基2 FFT算法 74按频率抽取的基2 FFT算法 75Cooley-Tuckey算法 76基4和基8的FFT算法 77FFT计算中的字长 78基于MATLAB的FFT分析 79基于模型的FFT设计与实现 710基于IP核的FFT实现 7101构建频谱分析模型 7102配置模型参数 7103设置仿真参数 7104运行和分析仿真结果 711基于C和HLS的FFT建模与实现 7111创建新的设计工程 7112创建源文件 7113设计综合 7114创建仿真测试文件 7115运行协同仿真 7116添加PIPELINE命令 7117添加ARRAY_PARTITION命令第8章离散余弦变换的原理与实现 81DCT的定义 82DCT-2和DFT的关系 83DCT的应用 84二维DCT 841二维DCT原理 842二维DCT算法描述 85二维DCT的实现 851创建新的设计工程 852创建源文件 853设计综合 854创建仿真测试文件 855运行协同仿真 856添加PIPELINE命令 857修改PIPELINE命令 858添加PARTITION命令 859添加DATAFLOW命令 8510添加INLINE命令 8511添加RESHAPE命令 8512修改RESHAPE命令第9章FIR滤波器和IIR滤波器的原理与实现 91模拟滤波器到数字滤波器的转换 911微分方程近似 912双线性交换 92数字滤波器的分类和应用 93FIR滤波器的原理和结构 931FIR滤波器的特性 932FIR滤波器的设计规则 94IIR滤波器的原理和结构 941IIR滤波器的原理 942IIR滤波器的模型 943IIR滤波器的Z域分析 944IIR滤波器的性能和稳定性 95DA FIR滤波器的设计 951DA FIR滤波器的设计原理 952移位寄存器模块设计 953查找表模块的设计 954查找表加法器模块的设计 955缩放比例加法器模块的设计 956DA FIR滤波器完整的设计 96MAC FIR滤波器的设计 96112×8乘和累加器模块的设计 962数据控制逻辑模块设计 963地址生成器模块的设计 964完整的MAC FIR滤波器的设计 97FIR Compiler滤波器的设计 971生成FIR滤波器系数 972建模FIR滤波器模型 973仿真FIR滤波器模型 974修改FIR滤波器模型 975仿真修改后FIR滤波器模型 98HLS FIR滤波器的设计 981设计原理 982设计FIR滤波器 983进行仿真和验证 984设计综合 985设计优化 986Vivado环境下的仿真第10章重定时信号流图的原理与实现 101信号流图的基本概念 1011标准形式FIR信号流图 1012关键路径和延迟 102割集重定时及其规则 1021割集重定时概念 1022割集重定时规则1 103不同形式的FIR滤波器 1031转置形式的FIR滤波器 1032脉动形式的FIR滤波器 1033包含流水线乘法器的脉动FIR滤波器 1034将FIR滤波器SFG乘法器流水线 104FIR滤波器构建块 1041带加法器树的FIR滤波器 1042加法器树的流水线 1043对称FIR滤波器 105标准形式和脉动形式的FIR滤波器的实现第11章多速率信号处理的原理与实现 111多速率信号处理的一些需求 1111信号重构 1112数字下变频 1113子带处理 1114提高分辨率 112多速率操作 1121采样率转换 1122多相技术 1123高级重采样技术 113多速率信号处理的典型应用 1131分析和合成滤波器 1132通信系统的应用 114多相FIR滤波器的原理与实现 1141FIR滤波器的分解 1142Noble Identity 1143多相抽取和插值的实现 1144直接和多相插值的比较 1145直接抽取和多相抽取的比较第12章串行和并行-串行FIR滤波器的原理与实现 121串行FIR滤波器的原理与实现 1211串行FIR滤波器的原理 1212串行FIR滤波器的实现 122并行-串行FIR滤波器的原理与实现 1221并行-串行FIR滤波器的原理 1222并行-串行FIR滤波器的实现第13章多通道FIR滤波器的原理与实现 131割集重定时规则2 132割集重定时规则2的应用 1321通过SFG共享提高效率 1322输入和输出多路复用 13233通道滤波器的例子 133多通道FIR滤波器的实现 1331多通道并行滤波器的实现 1332多通道串行滤波器的实现第14章其他类型数字滤波器的原理与实现 141滑动平均滤波器的原理和结构 1411滑动平均滤波器的原理 14128权值滑动平均滤波器的结构和特性 14139权重滑动平均滤波器的结构和特性 1414滑动平均滤波器的转置结构 142数字微分器和数字积分器的原理和特性 1421数字微分器的原理和特性 1422数字积分器的原理和特性 143积分梳状滤波器的原理和特性 144中频调制信号的产生和解调 1441产生中频调制信号 1442解调中频调制信号 1443CIC提取基带信号 1444CIC滤波器的衰减及其修正 145CIC滤波器的实现方法 146CIC滤波器位宽的确定 1461CIC抽取滤波器位宽的确定 1462CIC插值滤波器位宽的确定 147CIC滤波器的锐化 1471SCIC滤波器的特性 1472ISOP滤波器的特性 148CIC滤波器的递归和非递归结构 149CIC滤波器的实现 1491单级定点CIC滤波器的设计 1492滑动平均滤波器的设计 1493多级定点CIC滤波器的设计 1494浮点CIC滤波器的设计 1495CIC插值滤波器和CIC抽取滤波器的设计第三篇通信信号处理的理论和FPGA实现方法第15章数控振荡器的原理与实现 151数控振荡器的原理 1511NCO的应用背景 1512NCO中的关键技术 1513SFDR的改善 152查找表数控振荡器的实现 1521使用累加器生成一个斜坡函数 1522累加器精度的影响分析 1523使用查找表生成正弦波 1524分析步长对频率分辨率的影响 1525分析频谱纯度 1526分析查找表深度和无杂散动态范围 1527分析查找表深度和实现成本 1528动态频率的无杂散动态范围 1529带有抖动的无杂散动态范围 15210调谐抖动个数 15211创建一个抖动信号 153IIR滤波器数控振荡器的原理与实现 1531IIR滤波器数控振荡器原理 1532使用IIR滤波器生成正弦波振荡器 1533IIR振荡器的频谱纯度分析 153432位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 153512位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 15368位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 154CORDIC数控振荡器的实现 1541象限修正正弦/余弦 CORDIC振荡器 1542锯齿波驱动正弦/余弦CORDIC振荡器第16章通信信号处理的原理与实现 161信号检测理论 1611概率的柱状图表示 1612概率密度函数 162二进制基带数据传输 1621脉冲整形 1622基带传输信号接收错误 1623匹配滤波器的应用 163信号调制技术 1631信道与带宽 1632信号调制技术 1633数字信号的传输 164脉冲整形滤波器的原理与实现 1641脉冲整形滤波器的原理 1642升采样脉冲整形滤波器的实现 1643多相内插脉冲整形滤波器的实现 1644量化和频谱屏蔽的实现 165发射机的原理与实现 1651发射机的原理 1652发射机的实现 166脉冲生成和匹配滤波器的实现 1661脉冲生成的原理与实现 1662匹配滤波器的原理与实现 167接收机的原理与实现 1671接收机的原理 1672理想信道接收机的实现 1673非理想信道接收机的实现第17章信号同步的原理与实现 171信号的同步问题 172符号定时与定时恢复 1721符号定时的原理 1722符号定时的恢复 1723载波相位的偏移及其控制 1724帧同步的原理 1725数字下变频的原理 1726BPSK接收信号的同步原理 173数字变频器的原理与实现 1731数字上变频的原理与实现 1732数字下变频的原理与实现 174锁相环的原理与实现 1741锁相环的原理 1742相位检测器的实现 1743环路滤波器的实现 1744相位检测器和环路滤波器的实现 1745Ⅱ型PLL的实现 1746Ⅰ型和Ⅱ型PLL性能的比较 1747噪声对Ⅱ型 PLL的影响 175载波同步的实现 1751科斯塔斯环的实现 1752平方环的实现 176定时同步的实现 1761匹配滤波器和最大有效点 1762超前滞后门同步器 ⅩⅦ第四篇自适应信号处理的理论和FPGA实现方法第18章递归结构信号流图的重定时 181IIR滤波器脉动阵列及重定时 1811IIR滤波器的结构变换 1812IIR SFG的脉动化 182自适应滤波器的SFG 183LMS算法的硬件实现结构 1831基本LMS结构 1832串行LMS结构 1833重定时SLMS结构 1834非规范LMS（NCLMS）结构 1835流水线LMS结构第19章自适应信号处理的原理与实现 191自适应信号处理的发展 192自适应信号处理系统 1921通用信号处理系统结构 1922FIR滤波器性能参数 1923自适应滤波器结构 1924通用自适应数字信号处理结构 1925自适应信号处理系统模拟接口 1926典型自适应数字信号处理结构 193自适应信号处理的应用 1931信道识别 1932回波对消 1933声学回音消除 1934电线交流噪声抑制 1935背景噪声抑制 1936信道均衡 1937自适应谱线增强 ⅩⅧ194自适应信号处理算法 1941自适应信号处理算法类型 1942自适应滤波器结构 1943维纳-霍普算法 1944最小均方算法 1945递归最小二次方算法 195自适应滤波器的设计 1951标准并行自适应LMS滤波器的设计 1952非规范并行自适应LMS滤波器的设计 1953使用可配置的LMS模块实现LMS音频 196自适应信号算法的硬件实现方法 1961最小二乘解的计算 1962指数RLS算法的实现 1963QR-RLS算法的原理与实现 197QR-RLS自适应滤波算法的实现 1971QR算法的硬件结构 1972QR-RLS的三数组方法 1973QR边界单元的实现 1974QR内部单元的实现 1975QR数组的实现第五篇数字图像处理的理论和FPGA实现方法第20章数字图像处理的原理与实现 201数字图像处理的基本方法 2011灰度变换 2012直方图处理 2013空间滤波 202System Generator中中值滤波器的实现 2021在Vivado HLS内构建中值滤波器 2022在System Generator中构建图像处理系统 203HLS图像边缘检测的实现 2031创建新的设计工程 2032创建源文件 2033设计综合 2034创建仿真测试文件 2035进行协同仿真 2036添加循环控制命令 2037添加DATAFLOW命令 2038添加INLINE命令 ⅩⅨ第21章动态视频拼接的原理与实现 211视频拼接技术的发展 212图像拼接理论及关键方法 2121图像拼接系统概述 2122图像拼接流程 2123图像的采集和表示 2124图像的配准和融合 2125图像拼接演示 213图像配准算法的原理与实现 2131基于MATLAB的图像配准系统 2132关键点配准法 2133SIFT图像配准算法的流程 2134构建SIFT图像尺度空间 2135SIFT关键点检测 2136SIFT关键点描述 2137SIFT关键点匹配 2138模板匹配法 2139灰度信息法 21310频域相位相关算法 21311具有旋转变换的图像配准 214图像配准方法的对比与评价 2141图像配准方法的对比 2142图像配准方法的评价 2143F-SIFT图像配准方法 215视频拼接系统的设计 2151视频拼接技术 2152视频拼接方法 216视频拼接系统的实现 2161F-SIFT方法的实现 2162视频拼接系统的实现 217FPGA视频拼接系统的硬件实现 2171系统结构 2172系统硬件平台总体设计 2173视频数据采集模块 2174视频数据存储模块 2175视频显示接口介绍 2176视频显示模块整体设计 218系统硬件平台的测试 2181视频数据采集模块的测试 2182视频显示模块的测试 219FPGA视频拼接系统的软件设计 2191系统软件设计概述 2192系统中断部分设计 2193视频采集模块软件设计 2194视频存储模块软件设计 2195视频显示模块软件设计 2196系统整体测试 2110Vivado HLS图像拼接系统的原理与实现 21101OpenCV和HLS视频库 21102AXI4流和视频接口 21103OpenCV到RTL代码转换的流程 21104Vivado HLS实现OpenCV的方法 21105Vivado HLS实现图像拼接

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