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。
FPGA正在掀起一场数字信号处理的变革。本书旨在讲解前端数字信号处理算法的高效实现。首先概述了当前的FPGA技术、器件以及用于设计*先进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自适应滤波器等。每一章都包含练习。附录中给出了Verilog源代码和术语。
◆超过10个使用VHDL和Verilog设计的新的系统级案例研究
◆新增一章专门介绍图像和视频处理
◆更新后的AlteraQuartus和全新的ModelSim仿真工具
◆XilinxAtlys板卡和ISIM仿真支持
◆有符号定点数和浮点数IEEE库示例
◆概述并行全通IIR滤波器设计
◆CA和PCA系统级设计
◆MP3和ADPCM的语音和音频编码
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。
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
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Uwe.Meyer-Baese@ieee.org,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
作为一个长期关注技术发展,并且喜欢动手实践的读者,我一直在寻找一本能够让我迅速掌握FPGA实现DSP核心技术的书籍。我一直认为,理论知识只有与实践相结合,才能发挥出真正的价值。我希望这本书能够提供大量的实验指导,让我能够通过动手实践来加深对DSP算法和FPGA设计的理解。比如,能够提供详细的实验步骤,包括硬件平台选择、开发环境搭建、代码编写、仿真调试以及硬件部署等。同时,我非常希望书中能够包含一些开源项目或者参考设计,让我能够在此基础上进行二次开发和创新。如果书中还能对不同FPGA器件的特点以及它们在DSP实现中的优劣势进行分析,那就更加完美了。
评分这本书的出版,无疑是为广大的通信工程和电子信息工程专业的师生们送上了一份厚礼。我是一名多年从事DSP教学的教师,一直以来都在寻找一本能够贴合当前FPGA技术发展趋势,同时又能系统性地介绍DSP算法原理的书籍。我希望这本书在理论阐述上能够做到既严谨又易于理解,避免过于深奥的数学推导,而是侧重于算法的直观解释和工程意义。在FPGA实现部分,我更看重的是作者能否给出清晰的代码示例,并且对这些代码进行详尽的注释和分析,解释为什么要这样设计,这样设计的好处是什么。如果书中还能包含一些关于DSP算法在实际通信系统中的应用案例,比如OFDM、MIMO等,那将极大地提升本书的价值,为学生提供更广阔的视野。
评分我是一名在硬件加速领域工作的研发人员,对于FPGA在高性能计算中的应用一直保持着高度的关注。数字信号处理在很多高端应用中扮演着至关重要的角色,例如图像处理、机器学习推理、雷达信号分析等。我非常看重这本书能否在算法层面深入挖掘DSP的潜力,并将其转化为高效的FPGA硬件架构。我期待书中能够重点介绍一些前沿的DSP算法,以及它们在FPGA上的优化实现策略。例如,如何针对特定算法设计定制化的硬件模块,如何利用FPGA的并行处理能力来加速复杂的计算,以及如何结合高级综合工具来简化设计流程。如果书中还能提及一些关于FPGA片上系统(SoC)设计中DSP部分的集成,那就更能满足我的需求了。
评分这本书的包装很精致,封面设计也颇具匠心,第一眼就给人一种专业且厚重的感觉。拿到手中,份量感十足,让人对接下来的阅读充满了期待。翻开目录,清晰的章节划分和细致的内容索引,立刻展现了作者对知识体系构建的严谨态度。虽然我是一名对数字信号处理领域刚刚入门的学生,但看到如此详实的目录,心中便有了底气。我特别关注了其中关于“傅里叶变换”和“滤波器设计”的章节,这两部分的内容往往是初学者最容易感到困惑的地方。我希望这本书能够以一种循序渐进的方式,从基础概念入手,逐步深入到复杂的算法和实现细节,并且能够辅以大量的图示和实例,帮助我更好地理解抽象的数学原理。如果书中能够提供一些实际的工程案例,那就更好了,这样我可以将其与理论知识相结合,形成更深刻的认识。
评分作为一名有一定FPGA开发经验的工程师,我一直苦于找不到一本能够完美衔接数字信号处理理论与FPGA实现的书籍。市面上大多数DSP书籍要么侧重于理论的数学推导,要么只讲解FPGA的通用设计方法,而很少有能够深入剖析如何将DSP算法高效、低延迟地映射到FPGA硬件上的。当我看到这本书的标题时,心中涌现出莫名的兴奋。我非常期待书中能够详细讲解如何根据DSP算法的特点,选择合适的FPGA资源,例如如何优化乘法器、加法器等关键模块的硬件实现,以及如何利用流水线、并行化等技术来提高处理速度。此外,对于实际项目开发中经常遇到的问题,比如资源约束、时序收敛、功耗优化等,如果书中能够提供一些实用的技巧和解决方案,那我一定会将这本书奉为圭臬。
评分书很厚,翻了下,讲的很全
评分厚厚的一本,编排合理,我要好好使用它
评分质量不错,有参考意义,讲的很清晰易懂,适合入门。
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评分好书,值得一看,打算花一年时间学习
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