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。 

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。

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

目录 

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

5.5  作为通频带抽取器的频率

采样滤波器 305

5.6  任意采样速率转换器的设计308

5.6.1 分数延迟速率变换 311

5.6.2 多项式分数延迟设计 318

5.6.3 基于B样条的分数速率

变换器 324

5.6.4 MOMS分数速率变换器 328

5.7  滤波器组 335

5.7.1 均匀DFT滤波器组 336

5.7.2 双通道滤波器组 339

5.7.3 实现双通道滤波器组 344

5.8  小波 353

5.8.1 离散小波变换 355

5.8.2 离散小波变换的应用 358

5.9  练习 366

第6章傅立叶变换 373

6.1  傅立叶变换概述 373

6.2  离散傅立叶变换算法 374

6.2.1 用DFT近似傅立叶变换 374

6.2.2 DFT的性质 376

6.2.3 Goertzel算法 378

6.2.4 Bluestein Chirp-z变换 379

6.2.5 Rader算法 382

6.2.6 Winograd DFT算法 388

6.3  快速傅立叶变换算法 390

6.3.1 Cooley-Tukey FFT算法 391

6.3.2 Good-Thomas FFT算法 401

6.3.3 Winograd FFT算法 404

6.3.4 DFT和FFT算法的比较 407

6.3.5 IP内核FFT设计 409

6.4  与傅立叶相关的变换 413

6.4.1 利用DFT计算DCT 414

6.4.2 快速直接DCT实现 415

6.5  练习 417

第7章  通信系统 427

7.1  差错控制和加密技术 427

7.1.1 编码理论的基本概念 428

7.1.2 分组码 432

7.1.3 卷积码 436

7.1.4 FPGA的加密算法 443

7.2  调制和解调 457

7.2.1 基本的调制概念 457

7.2.2 非相干解调 462

7.2.3 相干解调 467

7.3  练习 474

第8章自适应系统 479

8.1  自适应系统的应用 479

8.1.1 干扰消除 480

8.1.2 预测 480

8.1.3 反演模拟 481

8.1.4 系统辨识 481

8.2  最优估计技术 482

8.3 Widrow-Hoff最小二乘法

算法 488

8.3.1 学习曲线 494

8.3.2 标准化LMS(NLMS) 496

8.4  变换域LMS算法 498

8.4.1 快速卷积技术 498

8.4.2 应用正交变换 499

8.5 LMS算法的实现 502

8.5.1 量化效应 502

8.5.2 LMS算法的FPGA设计 503

8.5.3 流水线LMS滤波器 505

8.5.4 转置形式的LMS滤波器 507

8.5.5 DLMS算法的设计 507

8.5.6 应用Signum函数的LMS

设计 511

8.6  递归最小二乘法算法 513

8.6.1 有限记忆的RLS算法 516

8.6.2 快速RLS算法的卡尔曼

实现 518

8.6.3 快速后验卡尔曼RLS

算法 523

8.7 LMS和RLS的参数比较 523

8.8  主成分分析(PCA)524

8.8.1 主成分分析的计算 527

8.8.2 Sanger GHA PCA的实现 531

8.9  独立成分分析(ICA)535

8.9.1 白噪声化和正交化 538

8.9.2 独立成分分析算法 538

8.9.3 EASI ICA算法的实现 539

8.9.4 备选BSS算法 544

8.10 语音和音频信号编码 545

8.10.1 A律和μ律编码 546

8.10.2 线性和自适应PCM

编码 550

8.10.3 模型化编码：LPC-10e

方法 556

8.10.4 MPEG音频编码方法 557

8.11 练习 558

第9章微处理器设计 565

9.1  微处理器设计概述 565

9.2  微处理器的发展史 566

9.2.1 多功能微处理器简史 566

9.2.2 RISC微处理器简史 568

9.2.3 PDSP简史 568

9.3  指令集设计 570

9.3.1 寻址模式 571

9.3.2 数据流：零地址、单地址、

二地址和三地址设计 577

9.3.3 寄存器文件和存储器体系

结构 581

9.3.4 操作支持 586

9.3.5 下一次操作的定位 588

9.4  软件工具 588

9.4.1 词法分析 589

9.4.2 分析程序的开发 599

9.5 FPGA微处理器内核 609

9.5.1 硬内核微处理器 610

9.5.2 软内核微处理器 616

9.6  案例研究 626

9.6.1 T-RISC栈处理器 626

9.6.2 LISA小波处理器的设计 632

9.6.3 Nios自定义指令设计 647

9.7  练习 653

第10章图像和视频处理 665

10.1 图像和视频处理概述 665

10.1.1 图像格式 666

10.1.2 基本图像处理操作 671

10.2 案例研究1：HDL中的

边缘检测 673

10.2.1 二维HDL滤波器设计 676

10.2.2 图像系统设计 677

10.2.3 VGA边缘检测系统的

组装 679

10.3 案例研究2：使用图像处理库

进行中值滤波 691

10.3.1 中值滤波器 692

10.3.2 HDL中的中值滤波器 693

10.3.3 Nios中值滤波图像处理

系统 695

10.3.4 SW中的中值滤波器 697

10.4 案例研究3：视频处理中的

运动检测由自定义协处理器

改进 701

10.4.1 运动检测 702

10.4.2 ME协处理器设计 703

10.4.3 视频压缩标准 706

练习 708

附录A  设计实例的Verilog源代码 713

附录B  设计实例的合成结果 573

附录C  VHDL和Verilog编码的

z关键字 789

附录D  学习资料 791

附录E  术语汇编 799

参考文献 809

第4版前言

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Xilinx ISE和ISIM仿真。

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. van Engelen、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EEL5722 DSP)春季班的同学。感谢Nick Stroupe在DWT去噪项目、Ye Yang在LPC项目、Soumak Mookherjee在256点FFT项目、Naren Nagaraj在全通滤波器项目、Venkata Pothavajhala在双二阶浮点设计、Haojun Yang在网格滤波器设计，以及Crispin Odom在ICA项目和MS论文中所做的工作。

特别感谢马德里大学的Guillermo Botella和Diego González在图像和视频处理章节中给予的帮助。

同样还要特别感谢David Bishop 和Huibert Lincklaen对本书学习资料中使用他们的库的许可。

关于Altara，我要感谢Ben Esposito、M. Phipps、Ralene Maroccia、Blair Fort 和Stephen Brown，感谢他们提供的软硬件支持。在Xilinx支持方面，A. Vera、M. Pattichis、Craig Kief和Parimal Patel。

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。

Uwe Meyer-Baese 

塔拉哈西，2014年1月