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第一篇 DSP系统的组成和处理方法3

第1章 信号处理理论3

1.1 信号定义及分类3

1.2 信号增益与衰减4

1.3 信号失真及测量4

1.3.1 放大器失真4

1.3.2 信号谐波失真5

1.3.3 谐波失真测量6

1.4 噪声及处理方法6

1.4.1 噪声的定义及表示6

1.4.2 固有噪声电平7

1.4.3 噪声／失真链8

1.4.4 信噪比定义及表示8

1.4.5 信号的提取方法9

1.5 模拟信号及处理方法10

1.5.1 模拟I/O信号的处理10

1.5.2 模拟通信信号处理11

1.6 数字信号处理关键问题11

1.6.1 数字信号处理系统结构11

1.6.2 信号调理方法12

1.6.3 模数转换器ADC及量化效应17

1.6.4 数模转换器DAC和信号重建22

1.6.5 SFDR的定义及测量25

1.7 通信信号软件处理方法26

1.7.1 软件无线电的定义26

1.7.2 IF的软件无线电实现27

1.7.3 信道化处理27

1.7.4 基站软件无线电接收机28

1.7.5 SR采样技术29

1.7.6 直接数字下变频30

1.7.7 带通采样失败的解决31

第2章 数字信号处理实现方法33

2.1 数字信号处理技术概念33

2.1.1 数字信号处理技术的发展33

2.1.2 数字信号处理算法的分类35

2.1.3 数字信号处理实现方法36

2.2 基于DSP的数字信号处理实现方法37

2.2.1 DSP的结构特点37

2.2.2 DSP的运行代码及性能39

2.3 基于FPGA的数字信号处理实现方法42

2.3.1 FPGA原理42

2.3.2 FPGA的逻辑资源43

2.3.3 FPGA的高性能处理51

2.3.4 FPGA的最新发展53

第3章 数字的表示和运算的实现55

3.1 整数的表示方法55

3.1.1 二进制原码格式55

3.1.2 二进制反码格式56

3.1.3 二进制补码格式57

3.2 整数值运算的HDL描述57

3.2.1 整数加法的HDL描述58

3.2.2 整数减法的HDL描述61

3.2.3 整数乘法的HDL描述63

3.2.4 整数除法的HDL描述66

3.3 定点数的表示方法69

3.3.1 定点二进制数格式70

3.3.2 定点量化71

3.3.3 归一化处理72

3.3.4 小数部分截断73

3.3.5 一种不同的方法Trounding73

3.4 定点数运算的HDL描述74

3.4.1 定点数加法的HDL描述75

3.4.2 定点数减法的HDL描述77

3.4.3 定点乘法的HDL描述78

3.4.4 定点除法的HDL描述80

3.5 浮点数的表示方法82

3.5.1 浮点数的格式82

3.5.2 浮点数的短指数表示83

3.6 浮点运算的HDL描述83

3.6.1 单精度浮点数加法的HDL描述84

3.6.2 单精度浮点数减法的HDL描述85

3.6.3 单精度浮点数乘法的HDL描述86

3.6.4 单精度浮点数除法的HDL描述86

第二篇 数字信号处理基本理论和FPGA实现方法91

第4章 CORDIC算法原理及实现91

4.1 CORDIC算法原理91

4.1.1 圆坐标系旋转91

4.1.2 线性坐标系旋转95

4.1.3 双曲线坐标系旋转96

4.1.4 CORDIC算法一般描述96

4.2 CORDIC算法性能分析97

4.2.1 输出量化误差的确定97

4.2.2 近似误差的分析98

4.2.3 舍入误差的分析99

4.2.4 有效位deff的估算99

4.2.5 预测与仿真100

4.3 CORDIC硬件实现原理100

4.3.1 CORDIC循环结构的实现原理100

4.3.2 CORDIC非循环结构的实现原理103

4.3.3 实现CORDIC的非循环的流水线结构104

4.3.4 3种实现方式的性能比较104

4.4 CORDIC算法收敛性及实现104

4.4.1 CORDIC算法收敛性原理105

4.4.2 CORDIC象限映射实现105

4.4.3 向量模式的CORDIC迭代实现107

4.4.4 旋转模式的CORDIC迭代实现110

4.5 CORDIC子系统的设计111

4.5.1 CORDIC单元的设计112

4.5.2 参数化CORDIC单元113

4.5.3 旋转后标定的实现115

4.5.4 旋转后的象限解映射116

4.6 圆形坐标系算术功能的设计117

4.6.1 反正切的实现117

4.6.2 正弦和余弦的实现118

4.6.3 向量幅度的计算119

4.7 流水线技术的CORDIC实现120

4.7.1 带有流水线并行阵列的实现120

4.7.2 串行结构实现121

4.7.3 比较并行和串行实现122

4.8 向量幅值精度的研究124

4.8.1 CORDIC向量幅度：设计任务124

4.8.2 验证计算精度125

第5章 离散傅里叶变换原理及信号频谱分析实现127

5.1 傅里叶变换的几种形式127

5.1.1 连续时间、连续频率——连续傅里叶变换127

5.1.2 连续时间、离散频率——傅里叶级数128

5.1.3 离散时间、连续频率——序列的傅里叶变换128

5.1.4 离散时间、离散频率——离散傅里叶变换129

5.2 周期序列的离散傅里叶级数130

5.3 离散傅里叶变换132

5.4 离散傅里叶级数与离散傅里叶变换的关系133

5.5 离散傅里叶变换和z变换的关系134

5.6 离散傅里叶变换的性质135

5.6.1 线性135

5.6.2 循环移位定理136

5.6.3 循环卷积定理137

5.6.4 复共轭序列的DFT138

5.6.5 DFT的共轭对称性140

5.7 频率域抽样理论141

5.8 离散傅里叶变换应用举例143

5.9 离散傅里叶变换的信号谱分析146

5.9.1 连续信号谱分析146

5.9.2 谱分析存在的问题148

5.10 离散傅里叶变换信号分析的实现150

5.10.1 构建频谱分析模型150

5.10.2 配置模型参数151

5.10.3 设置仿真参数153

5.10.4 运行和分析仿真结果153

第6章 快速傅里叶变换FFT154

6.1 FFT的发展背景154

6.2 FFT快速变换的需求155

6.3 按时间抽取的基-2 FFT算法156

6.3.1 按时间抽取的基-2 FFT算法原理156

6.3.2 运算量分析159

6.4 按频率抽取的基-2 FFT算法159

6.4.1 按频率抽取的基-2 FFT算法原理159

6.4.2 运算量分析161

6.5 离散傅里叶反变换的快速计算162

6.6 混合基FFT算法162

6.7 FFT的C模型描述和实现163

6.7.1 创建新的设计工程163

6.7.2 创建源文件163

6.7.3 设计综合167

6.7.4 创建仿真测试文件168

6.7.5 运行协同仿真169

6.7.6 添加PIPELINE命令169

6.7.7 添加ARRAY PARTITION命令171

第7章 离散余弦变换原理及实现173

7.1 DCT的定义173

7.2 DCT-2和DFT的关系174

7.3 DCT变换的应用175

7.4 二维DCT变换原理175

7.4.1 二维DCT变换方法175

7.4.2 二维DCT算法描述176

7.5 二维DCT变换实现178

7.5.1 创建新的设计工程178

7.5.2 创建源文件178

7.5.3 设计综合182

7.5.4 创建仿真测试文件183

7.5.5 运行协同仿真185

7.5.6 添加PIPELINE命令185

7.5.7 修改PIPELINE命令186

7.5.8 添加PARTITION命令187

7.5.9 添加DATAFLOW命令189

7.5.10 添加INLINE命令190

7.5.11 添加RESHAPE命令191

7.5.12 修改RESHAPE命令192

第8章 FIR滤波器和IIR滤波器原理及实现195

8.1 模拟到数字滤波器的转换195

8.1.1 微分方程近似195

8.1.2 双线性交换196

8.2 数字滤波器的分类和应用198

8.3 FIR数字滤波器的原理和结构198

8.3.1 FIR数字滤波器的特性198

8.3.2 FIR滤波器的设计规则206

8.3.3 FIR滤波器的转置结构208

8.4 IIR数字滤波器的原理和结构210

8.4.1 IIR滤波器的原理210

8.4.2 IIR滤波器的模型210

8.4.3 IIR滤波器的z域分析211

8.4.4 IIR滤波器的性能及稳定性212

8.5 DA FIR滤波器的设计214

8.5.1 DA FIR滤波器的设计原理214

8.5.2 移位寄存器模块设计217

8.5.3 查找表模块的设计221

8.5.4 查找表加法器模块的设计224

8.5.5 缩放比例加法器模块的设计228

8.5.6 DA FIR滤波器完整的设计230

8.6 MAC FIR滤波器设计233

8.6.1 12×8乘和累加器模块的设计234

8.6.2 数据控制逻辑模块设计237

8.6.3 地址生成器模块的设计241

8.6.4 完整的MAC FIR滤波器的设计244

8.7 FIR Compiler滤波器的设计253

8.7.1 生成FIR滤波器系数253

8.7.2 建模FIR滤波器模型255

8.7.3 仿真FIR滤波器模型257

8.7.4 修改FIR滤波器模型259

8.7.5 仿真修改后FIR滤波器模型260

8.8 HLS FIR滤波器的设计261

8.8.1 设计原理261

8.8.2 设计FIR滤波器261

8.8.3 运行仿真和验证功能263

8.8.4 设计综合265

8.8.5 设计优化266

8.8.6 Vivado环境下的RTL仿真267

第9章 其他类型数字滤波器原理及实现270

9.1 滑动平均滤波器原理及结构270

9.1.1 滑动平均一般原理270

9.1.2 8权值滑动平均结构及特性271

9.1.3 9权重滑动平均结构及特性272

9.1.4 滑动平均滤波器的转置结构273

9.2 微分器和积分器原理及特性274

9.2.1 微分器原理及特性274

9.2.2 积分器原理及特性275

9.3 积分梳状滤波器原理及特性276

9.4 中频调制信号产生和解调279

9.4.1 中频调制信号的产生279

9.4.2 中频调制信号的解调280

9.4.3 CIC提取基带信号281

9.4.4 CIC滤波器的衰减及修正283

9.5 CIC滤波器实现方法284

9.6 CIC滤波器位宽确定285

9.6.1 CIC抽取滤波器位宽确定285

9.6.2 CIC插值滤波器位宽确定288

9.7 CIC滤波器的锐化288

9.7.1 SCIC滤波器的特性288

9.7.2 ISOP滤波器的特性291

9.8 CIC滤波器的递归和非递归结构294

9.9 CIC滤波器的实现297

9.9.1 单级定点CIC滤波器的设计297

9.9.2 滑动平均滤波器的设计301

9.9.3 多级定点GIC滤波器的设计304

9.9.4 浮点GIG滤波器的设计306

9.9.5 CIC插值和抽取滤波器的设计307

第10章 重定时信号流图原理及实现309

10.1 信号流图基本概念309

10.1.1 信号流图关键路径309

10.1.2 信号流图的延迟310

10.2 割集重定时及规则311

10.2.1 割集重定时概念311

10.2.2 割集重定时规则1311

10.2.3 割集重定时规则2313

10.2.4 两种重定时FIR的信号流图318

10.3 脉动阵列及重定时321

10.3.1 脉动阵列概念322

10.3.2 FIR滤波器脉动阵列及重定时322

10.3.3 IIR滤波器脉动阵列及重定时328

10.4 自适应滤波器的SFG331

第三篇 通信信号处理理论和FPGA实现方法335

第11章 通信信号处理原理及实现335

11.1 信号检测理论335

11.1.1 概率的柱状图表示335

11.1.2 概率密度函数337

11.2 二进制基带数据传输339

11.2.1 脉冲整形339

11.2.2 基带传输信号接收错误340

11.2.3 匹配滤波器的应用343

11.3 信号调制技术346

11.3.1 信道与带宽346

11.3.2 信号调制技术347

11.3.3 数字信号的传输364

11.4 脉冲整形滤波器原理及实现365

11.4.1 脉冲整形滤波器原理365

11.4.2 上采样-滤波器脉冲整形的实现367

11.4.3 多相内插脉冲整形滤波器的实现368

11.4.4 量化和频谱屏蔽的实现370

11.5 发射机原理及实现374

11.5.1 发射机原理374

11.5.2 发射机实现375

11.6 脉冲生成和匹配滤波器的实现380

11.6.1 脉冲生成原理和实现380

11.6.2 匹配滤波器原理和实现382

11.7 接收机原理及实现383

11.7.1 接收机原理383

11.7.2 理想信道接收机实现383

11.7.3 非理想信道接收机实现386

第12章 数控振荡器原理及实现389

12.1 数控振荡器的原理389

12.2 查找表数控振荡器原理及实现391

12.2.1 查找表数控振荡器原理391

12.2.2 使用累加器生成一个斜坡函数391

12.2.3 累加器精度的影响分析392

12.2.4 使用查找表生成正弦波393

12.2.5 分析步长对频率分辨率的影响394

12.2.6 频谱纯度的分析395

12.2.7 分析查找表深度和无杂散动态范围396

12.2.8 查找表深度和实现成本397

12.2.9 动态频率的无杂散动态范围399

12.2.10 带有抖动的无杂散动态范围400

12.2.11 调谐抖动个数401

12.2.12 创建一个抖动信号402

12.3 IIR滤波器数控振荡器原理及实现403

12.3.1 IIR滤波器数控振荡器原理403

12.3.2 使用IIR滤波器生成正弦波振荡器404

12.3.3 IIR振荡器的频谱纯度分析405

12.3.4 32位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器406

12.3.5 12位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器407

12.3.6 8位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器408

12.4 CORDIC数控振荡器实现409

12.4.1 象限修正正弦／余弦CORDIC振荡器409

12.4.2 锯齿波驱动正弦／余弦CORDIC振荡器411

第13章 信号同步原理实现412

13.1 信号的同步问题412

13.2 符号定时及定时恢复413

13.2.1 符号定时原理413

13.2.2 符号定时恢复414

13.2.3 载波相位偏移及控制417

13.2.4 帧同步原理421

13.2.5 数字下变频原理422

13.2.6 BPSK接收信号的同步原理423

13.3 数字变频器原理及实现426

13.3.1 数字上变频原理及实现426

13.3.2 数字下变频原理及实现430

13.4 锁相环原理及实现436

13.4.1 锁相环原理436

13.4.2 相位检测器的实现437

13.4.3 环路滤波器的实现438

13.4.4 相位检测器和环路滤波器的实现439

13.4.5 2型PLL的实现440

13.4.6 1型PLL和2型PLL性能比较442

13.4.7 噪声对2型PLL的影响443

13.5 载波同步的实现444

13.5.1 科斯塔斯环的实现444

13.5.2 平方环的实现445

13.6 定时同步的实现446

13.6.1 匹配滤波器和最大有效点446

13.6.2 超前滞后门同步器447

第四篇 数字图像处理理论和FPGA实现方法453

第14章 数字图像处理原理及实现453

14.1 数字图像处理基本方法453

14.1.1 灰度变换453

14.1.2 直方图处理454

14.1.3 空间滤波457

14.2 System Generator数字图像处理实现460

14.2.1 打开图像滤波器设计460

14.2.2 分析数字图像滤波器461

14.2.3 分析输入和输出缓存模块465

14.2.4 准备硬件协同仿真466

14.2.5 运行硬件协同仿真468

14.3 HLS图像边缘检测实现471

14.3.1 创建新的设计工程471

14.3.2 创建源文件472

14.3.3 设计综合474

14.3.4 创建仿真测试文件476

14.3.5 运行协同仿真477

14.3.6 添加循环控制命令477

14.3.7 添加DATAFLOW命令479

14.3.8 添加INLINE命令480

第15章 动态视频拼接原理及实现483

15.1 视频拼接技术发展483

15.2 图像拼接理论及关键方法485

15.2.1 图像拼接系统概述485

15.2.2 图像拼接流程486

15.2.3 图像采集及表示486

15.2.4 图像配准和融合489

15.2.5 图像拼接演示490

15.3 图像配准方法的原理及实现493

15.3.1 基于MATLAB的图像配准系统494

15.3.2 关键点配准法495

15.3.3 SIFT图像配准算法497

15.3.4 模板匹配法503

15.3.5 灰度信息法504

15.3.6 频域相位相关算法506

15.3.7 图像配准方法对比与评价509

15.4 视频拼接系统的设计与实现511

15.4.1 视频拼接技术511

15.4.2 视频拼接方法512

15.4.3 视频拼接系统的实现513

15.5 FPGA视频拼接系统硬件实现517

15.5.1 系统结构517

15.5.2 系统硬件平台总体设计518

15.5.3 视频数据采集模块520

15.5.4 视频数据存储模块523

15.5.5 视频数据显示模块525

15.5.6 系统硬件平台的测试529

15.6 FPGA视频拼接系统软件设计532

15.6.1 系统软件设计概述532

15.6.2 系统中断部分设计533

15.6.3 视频采集模块软件设计534

15.6.4 视频存储模块软件设计537

15.6.5 视频显示模块软件设计538

15.6.6 系统整体测试540

15.7 Vivado HLS图像拼接系统原理及实现541

15.7.1 OpenCV和HLS视频库542

15.7.2 AXI4流和视频接口544

15.7.3 OpenCV到RTL代码转换的流程545

15.7.4 Vivado HLS实现OpenCV的方法546

15.7.5 Vivado HLS实现图像拼接552

第五篇 自适应信号处理理论和FPGA实现方法565

第16章 自适应信号处理原理及实现565

16.1 自适应信号处理发展565

16.2 自适应信号处理系统566

16.2.1 通用信号处理系统结构566

16.2.2 FIR滤波器性能参数567

16.2.3 自适应滤波器结构568

16.2.4 通用自适应数字信号处理结构568

16.2.5 自适应信号处理系统模拟接口569

16.2.6 典型自适应数字信号处理结构570

16.3 自适应信号处理的应用571

16.3.1 信道辨识571

16.3.2 回波对消572

16.3.3 声学回音消除573

16.3.4 电线交流噪声抑制573

16.3.5 背景噪声抑制574

16.3.6 信道均衡575

16.3.7 自适应谱线增强575

16.4 自适应信号处理算法576

16.4.1 自适应信号处理算法类型576

16.4.2 自适应滤波器结构576

16.4.3 维纳-霍普算法577

16.4.4 最小均方算法579

16.4.5 递归最小二次方算法584

16.5 LMS算法的硬件实现结构589

16.5.1 基本LMS结构589

16.5.2 串行LMS结构589

16.5.3 重定时SLMS结构590

16.5.4 非规范的LMS（NCLMS）结构591

16.5.5 流水线LMS结构593

16.5.6 超前技术595

16.5.7 PIPLMS结构596

16.5.8 复数LMS结构599

16.5.9 RLS和LMS技术的比较601

16.6 自适应滤波器的设计602

16.6.1 标准并行自适应LMS滤波器的设计602

16.6.2 非规范并行LMS滤波器的设计604

16.6.3 使用可配置LMS模块实现LMS音频605

16.7 自适应信号算法硬件实现方法607

16.7.1 最小二乘解的计算607

16.7.2 指数RLS算法实现610

16.7.3 QR-RLS算法原理及实现611

16.8 QR-RLS自适应滤波算法的实现614

16.8.1 QR算法的硬件结构614

16.8.2 QR-RLS的三数组方法615

16.8.3 QR边界单元的实现616

16.8.4 QR内部单元的实现617

16.8.5 QR数组的实现619

参考文献622