XilinxFPGA数字信号处理系统设计指南：从HDL、Simulink到HLS的实现"
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。
前言 近年来，人工智能、大数据和云计算等新信息技术得到越来越多的应用，它们共同的特点就是需要对海量数据进行高性能的处理。与采用CPU、DSP和GPU实现数字信号处理（数据处理）系统相比，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）具有天然并行处理能力以及整体功耗较低的优势，使得它成为这些新信息技术普及推广不可或缺的硬件处理平台，被越来越多地应用于这些新技术中。 一般而言，业界将FPGA归结为硬件（数字逻辑电路）范畴，而算法归结为软件范畴。在十年前，当采用FPGA作为数字信号处理平台时，设计者必须使用硬件描述语言来描述所构建的数字信号处理系统模型；而大多数的算法设计人员并不会使用硬件描述语言，这样就对他们使用FPGA实现数字信号处理算法造成了困难，从而限制了FPGA在这些新技术方面的应用普及和推广。当采用FPGA作为数字信号处理实现平台时，软件算法人员希望他们自己只关注算法本身，而通过一些其他工具将这些软件算法直接转换为FPGA硬件实现。 近年来，出现了新的建模工具，它们都是以软件算法人员的视角为出发点来构建数字信号处理系统的，这样显著降低了算法设计人员使用FPGA实现算法的难度，实现了软件和硬件的完美统一。本书将着重介绍Xilinx公司Vivado集成开发环境下提供的两种新的数字信号处理建模工具，即System Generator工具（它使用MATLAB环境下的Simulink）和高级综合工具（High Level Synthesis, HLS）。这两个数字信号处理系统建模工具的出现，使得算法人员可以专注于研究算法本身；然后通过这些建模工具，将算法直接转换成寄存器传输级（Register Transfer Level，RTL）描述；最后下载到FPGA内进行算法实现。这样，当采用Xilinx FPGA作为数字信号处理硬件平台时，显著提高了系统的建模效率，并且可以在性能和实现成本之间进行权衡，以探索最佳的解决方案。 本书从传统的硬件描述语言、Simulink模型设计和C/C++高级综合3个角度，对基于Xilinx 7系列FPGA平台下的通用数字信号处理、通信信号处理和数字图像处理的建模与实现方法进行详细介绍。全书共5篇21章，主要内容包括：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FIR滤波器、并行-串行FIR滤波器、多通道FIR滤波器以及其他类型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，自适应信号处理原理与实现；数字图像处理、动态视频拼接的原理与实现。 本书所介绍的内容反映了Xilinx FPGA在实现高性能数字信号处理（数据处理）系统时的最新研究成果；力图帮助读者在使用FPGA构建数字信号处理系统时，知道如何在实现性能和实现成本之间进行权衡，如何正确使用不同的数字信号处理系统建模工具和方法，更重要的是知道如何将软件算法转换成硬件实现。 在编写本书的过程中，得到了Xilinx公司大学计划的支持和帮助，提供了最新的Vivado 2017集成开发工具以及《DSP for FPGA Primer》等文档和材料。此外，也得到了Mathworks公司图书计划的支持和帮助，为作者提供了正版授权的MATLAB R2016b集成开发环境，以及相关设计所要使用的工具包。在此，向他们的支持和帮助表示衷心的感谢。在编写本书的过程中，仍然参考了已经毕业研究生张艳辉的研究成果，以及本科生汤宗美和刘仪参与本书教学资源的编写工作，在此向他们的辛勤劳动表示感谢。最后，向电子工业出版社编辑的辛勤工作表示感谢。 编著者2018年12月于北京
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 11信号定义和分类 12信号增益与衰减 13信号失真与测量 131放大器失真 132信号谐波失真 133谐波失真测量 14噪声及其处理方法 141噪声的定义和表示 142固有噪声电平 143噪声/失真链 144信噪比定义和表示 145信号的提取方法 15模拟信号及其处理方法 151模拟I/O信号的处理 152模拟通信信号的处理 16数字信号处理的关键问题 161数字信号处理系统结构 162信号调理的方法 163模数转换器ADC及量化效应 164数模转换器(DAC)及信号重建 165SFDR的定义和测量 17通信信号软件处理方法 171软件无线电的定义 172中频软件无线电实现 173信道化处理 174基站软件无线电接收机 175SR采样技术 176直接数字下变频 177带通采样失败的解决 第2章数字信号处理实现方法 21数字信号处理技术概念 211数字信号处理技术的发展 212数字信号处理算法的分类 213数字信号处理实现方法 22基于DSP的数字信号处理实现方法 221DSP的结构和流水线 222DSP的运行代码和性能 23基于FPGA的数字信号处理实现方法 231FPGA原理 232FPGA的逻辑资源 233FPGA实现数字信号处理的优势 234FPGA的最新发展 24FPGA执行数字信号处理的一些关键问题 241关键路径 242流水线 243延迟 244加法器 245乘法器 246并行/串行 247溢出的处理 25高性能信号处理的难点和技巧 251设计目标 252实现成本 253设计优化 第3章数值的表示和运算 31整数的表示方法 311二进制原码格式 312二进制反码格式 313二进制补码格式 32整数加法运算的HDL描述 321无符号整数加法运算的HDL描述 322有符号整数加法运算的HDL描述 33整数减法运算的HDL描述 331无符号整数减法运算的HDL描述 332有符号整数减法运算的HDL描述 34整数乘法运算的HDL描述 341无符号整数乘法运算的HDL描述 342有符号整数乘法运算的HDL描述 35整数除法运算的HDL描述 351无符号整数除法运算的HDL描述 352有符号整数除法运算的HDL描述 36定点数的表示方法 361定点数的格式 362定点量化 363归一化处理 364小数部分截断 365一种不同的表示方法——Trounding 366定点数运算的HDL描述库 37定点数加法运算的HDL描述 371无符号定点数加法运算的HDL描述 372有符号定点数加法运算的HDL描述 38定点数减法运算的HDL描述 381无符号定点数减法运算的HDL描述 382有符号定点数减法运算的HDL描述 39定点数乘法运算的HDL描述 391无符号定点数乘法运算的HDL描述 392有符号定点数乘法运算的HDL描述 310定点数除法运算的HDL描述 3101无符号定点数除法运算的HDL描述 3102有符号定点数除法运算的HDL描述 311浮点数的表示方法 3111浮点数的格式 3112浮点数的短指数表示 312浮点数运算的HDL描述 3121单精度浮点数加法运算的HDL描述 3122单精度浮点数减法运算的HDL描述 3123单精度浮点数乘法运算的HDL描述 3124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 41FPGA模型的设计模块 411Xilinx Blockset 412Xilinx Reference Blockset 42配置System Generator环境 43信号处理模型的构建与实现 431信号模型的构建 432模型参数的设置 433信号处理模型的仿真 434生成模型子系统 435模型HDL代码的生成 436打开生成设计文件并仿真 437协同仿真的配置与实现 438生成IP核 44编译MATLAB到FPGA 441模型的设计原理 442系统模型的建立 443系统模型的仿真 45高级综合工具HLS概述 451HLS的特性 452调度和绑定 453提取控制逻辑和I/O端口 46使用HLS实现两个矩阵相乘运算 461设计矩阵相乘模型 462添加C测试文件 463运行和调试C工程 464设计综合 465查看生成的数据处理图 466对设计执行RTL级仿真 467设计优化 468对优化后的设计执行RTL级仿真 47基于Model Composer的DSP模型构建 471Model Composer工具概述 472打开Model Composer工具 473创建一个矩阵运算实现模型 474修改设计中模块的参数 475执行仿真并分析结果 476产生输出 48在Model Composer导入C/C++代码作为定制模块 481建立C/C++代码 482将代码导入Model Composer 483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 51CORDIC算法原理 511圆坐标系旋转 512线性坐标系旋转 513双曲线坐标系旋转 514CORDIC算法通用表达式 52CORDIC循环和非循环结构硬件实现原理 521CORDIC循环结构的原理和实现方法 522CORDIC非循环结构的实现原理 523实现CORDIC非循环的流水线结构 53向量幅度的计算 54CORDIC算法的性能分析 541迭代次数对精度的影响 542总量化误差的确定 543近似误差的分析 544舍入误差的分析 545有效位deff的估算 546预测与仿真 55CORDIC算法的原理和实现方法 551CORDIC算法的收敛性 552CORDIC象限映射的实现 553向量模式下CORDIC迭代的实现 554旋转模式下CORDIC迭代的实现 56CORDIC子系统的设计 561CORDIC单元的设计 562参数化CORDIC单元 563旋转后标定的实现 564旋转后的象限解映射 57圆坐标系算术功能的设计 571反正切的实现 572正弦和余弦的实现 573向量幅度的计算 58流水线技术的CORDIC实现 581带有流水线并行阵列的实现 582串行结构的实现 583比较并行和串行的实现 59向量幅值精度的研究 591CORDIC向量幅度：设计任务 592验证计算精度 第6章离散傅里叶变换的原理与实现 61模拟周期信号的分析——傅里叶级数 62模拟非周期信号的分析——傅里叶变换 63离散序列的分析——离散傅里叶变换 631离散傅里叶变换推导 632频率离散化推导 633DFT的窗效应 64短时傅里叶变换 65离散傅里叶变换的运算量 66离散傅里叶算法的模型实现 661分析复数乘法的实现方法 662分析复数加法的实现方法 663运行设计 第7章快速傅里叶变换的原理与实现 71快速傅里叶变换的发展 72Danielson-Lanczos引理 73按时间抽取的基2 FFT算法 74按频率抽取的基2 FFT算法 75Cooley-Tuckey算法 76基4和基8的FFT算法 77FFT计算中的字长 78基于MATLAB的FFT分析 79基于模型的FFT设计与实现 710基于IP核的FFT实现 7101构建频谱分析模型 7102配置模型参数 7103设置仿真参数 7104运行和分析仿真结果 711基于C和HLS的FFT建模与实现 7111创建新的设计工程 7112创建源文件 7113设计综合 7114创建仿真测试文件 7115运行协同仿真 7116添加PIPELINE命令 7117添加ARRAY_PARTITION命令 第8章离散余弦变换的原理与实现 81DCT的定义 82DCT-2和DFT的关系 83DCT的应用 84二维DCT 841二维DCT原理 842二维DCT算法描述 85二维DCT的实现 851创建新的设计工程 852创建源文件 853设计综合 854创建仿真测试文件 855运行协同仿真 856添加PIPELINE命令 857修改PIPELINE命令 858添加PARTITION命令 859添加DATAFLOW命令 8510添加INLINE命令 8511添加RESHAPE命令 8512修改RESHAPE命令 第9章FIR滤波器和IIR滤波器的原理与实现 91模拟滤波器到数字滤波器的转换 911微分方程近似 912双线性交换 92数字滤波器的分类和应用 93FIR滤波器的原理和结构 931FIR滤波器的特性 932FIR滤波器的设计规则 94IIR滤波器的原理和结构 941IIR滤波器的原理 942IIR滤波器的模型 943IIR滤波器的Z域分析 944IIR滤波器的性能和稳定性 95DA FIR滤波器的设计 951DA FIR滤波器的设计原理 952移位寄存器模块设计 953查找表模块的设计 954查找表加法器模块的设计 955缩放比例加法器模块的设计 956DA FIR滤波器完整的设计 96MAC FIR滤波器的设计 96112×8乘和累加器模块的设计 962数据控制逻辑模块设计 963地址生成器模块的设计 964完整的MAC FIR滤波器的设计 97FIR Compiler滤波器的设计 971生成FIR滤波器系数 972建模FIR滤波器模型 973仿真FIR滤波器模型 974修改FIR滤波器模型 975仿真修改后FIR滤波器模型 98HLS FIR滤波器的设计 981设计原理 982设计FIR滤波器 983进行仿真和验证 984设计综合 985设计优化 986Vivado环境下的仿真 第10章重定时信号流图的原理与实现 101信号流图的基本概念 1011标准形式FIR信号流图 1012关键路径和延迟 102割集重定时及其规则 1021割集重定时概念 1022割集重定时规则1 103不同形式的FIR滤波器 1031转置形式的FIR滤波器 1032脉动形式的FIR滤波器 1033包含流水线乘法器的脉动FIR滤波器 1034将FIR滤波器SFG乘法器流水线 104FIR滤波器构建块 1041带加法器树的FIR滤波器 1042加法器树的流水线 1043对称FIR滤波器 105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 111多速率信号处理的一些需求 1111信号重构 1112数字下变频 1113子带处理 1114提高分辨率 112多速率操作 1121采样率转换 1122多相技术 1123高级重采样技术 113多速率信号处理的典型应用 1131分析和合成滤波器 1132通信系统的应用 114多相FIR滤波器的原理与实现 1141FIR滤波器的分解 1142Noble Identity 1143多相抽取和插值的实现 1144直接和多相插值的比较 1145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 121串行FIR滤波器的原理与实现 1211串行FIR滤波器的原理 1212串行FIR滤波器的实现 122并行-串行FIR滤波器的原理与实现 1221并行-串行FIR滤波器的原理 1222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 131割集重定时规则2 132割集重定时规则2的应用 1321通过SFG共享提高效率 1322输入和输出多路复用 13233通道滤波器的例子 133多通道FIR滤波器的实现 1331多通道并行滤波器的实现 1332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 141滑动平均滤波器的原理和结构 1411滑动平均滤波器的原理 14128权值滑动平均滤波器的结构和特性 14139权重滑动平均滤波器的结构和特性 1414滑动平均滤波器的转置结构 142数字微分器和数字积分器的原理和特性 1421数字微分器的原理和特性 1422数字积分器的原理和特性 143积分梳状滤波器的原理和特性 144中频调制信号的产生和解调 1441产生中频调制信号 1442解调中频调制信号 1443CIC提取基带信号 1444CIC滤波器的衰减及其修正 145CIC滤波器的实现方法 146CIC滤波器位宽的确定 1461CIC抽取滤波器位宽的确定 1462CIC插值滤波器位宽的确定 147CIC滤波器的锐化 1471SCIC滤波器的特性 1472ISOP滤波器的特性 148CIC滤波器的递归和非递归结构 149CIC滤波器的实现 1491单级定点CIC滤波器的设计 1492滑动平均滤波器的设计 1493多级定点CIC滤波器的设计 1494浮点CIC滤波器的设计 1495CIC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 151数控振荡器的原理 1511NCO的应用背景 1512NCO中的关键技术 1513SFDR的改善 152查找表数控振荡器的实现 1521使用累加器生成一个斜坡函数 1522累加器精度的影响分析 1523使用查找表生成正弦波 1524分析步长对频率分辨率的影响 1525分析频谱纯度 1526分析查找表深度和无杂散动态范围 1527分析查找表深度和实现成本 1528动态频率的无杂散动态范围 1529带有抖动的无杂散动态范围 15210调谐抖动个数 15211创建一个抖动信号 153IIR滤波器数控振荡器的原理与实现 1531IIR滤波器数控振荡器原理 1532使用IIR滤波器生成正弦波振荡器 1533IIR振荡器的频谱纯度分析 153432位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 153512位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 15368位定点IIR滤波器生成正弦波振荡器 154CORDIC数控振荡器的实现 1541象限修正正弦/余弦 CORDIC振荡器 1542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 161信号检测理论 1611概率的柱状图表示 1612概率密度函数 162二进制基带数据传输 1621脉冲整形 1622基带传输信号接收错误 1623匹配滤波器的应用 163信号调制技术 1631信道与带宽 1632信号调制技术 1633数字信号的传输 164脉冲整形滤波器的原理与实现 1641脉冲整形滤波器的原理 1642升采样脉冲整形滤波器的实现 1643多相内插脉冲整形滤波器的实现 1644量化和频谱屏蔽的实现 165发射机的原理与实现 1651发射机的原理 1652发射机的实现 166脉冲生成和匹配滤波器的实现 1661脉冲生成的原理与实现 1662匹配滤波器的原理与实现 167接收机的原理与实现 1671接收机的原理 1672理想信道接收机的实现 1673非理想信道接收机的实现 第17章信号同步的原理与实现 171信号的同步问题 172符号定时与定时恢复 1721符号定时的原理 1722符号定时的恢复 1723载波相位的偏移及其控制 1724帧同步的原理 1725数字下变频的原理 1726BPSK接收信号的同步原理 173数字变频器的原理与实现 1731数字上变频的原理与实现 1732数字下变频的原理与实现 174锁相环的原理与实现 1741锁相环的原理 1742相位检测器的实现 1743环路滤波器的实现 1744相位检测器和环路滤波器的实现 1745Ⅱ型PLL的实现 1746Ⅰ型和Ⅱ型PLL性能的比较 1747噪声对Ⅱ型 PLL的影响 175载波同步的实现 1751科斯塔斯环的实现 1752平方环的实现 176定时同步的实现 1761匹配滤波器和最大有效点 1762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 181IIR滤波器脉动阵列及重定时 1811IIR滤波器的结构变换 1812IIR SFG的脉动化 182自适应滤波器的SFG 183LMS算法的硬件实现结构 1831基本LMS结构 1832串行LMS结构 1833重定时SLMS结构 1834非规范LMS（NCLMS）结构 1835流水线LMS结构 第19章自适应信号处理的原理与实现 191自适应信号处理的发展 192自适应信号处理系统 1921通用信号处理系统结构 1922FIR滤波器性能参数 1923自适应滤波器结构 1924通用自适应数字信号处理结构 1925自适应信号处理系统模拟接口 1926典型自适应数字信号处理结构 193自适应信号处理的应用 1931信道识别 1932回波对消 1933声学回音消除 1934电线交流噪声抑制 1935背景噪声抑制 1936信道均衡 1937自适应谱线增强 ⅩⅧ194自适应信号处理算法 1941自适应信号处理算法类型 1942自适应滤波器结构 1943维纳-霍普算法 1944最小均方算法 1945递归最小二次方算法 195自适应滤波器的设计 1951标准并行自适应LMS滤波器的设计 1952非规范并行自适应LMS滤波器的设计 1953使用可配置的LMS模块实现LMS音频 196自适应信号算法的硬件实现方法 1961最小二乘解的计算 1962指数RLS算法的实现 1963QR-RLS算法的原理与实现 197QR-RLS自适应滤波算法的实现 1971QR算法的硬件结构 1972QR-RLS的三数组方法 1973QR边界单元的实现 1974QR内部单元的实现 1975QR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 201数字图像处理的基本方法 2011灰度变换 2012直方图处理 2013空间滤波 202System Generator中中值滤波器的实现 2021在Vivado HLS内构建中值滤波器 2022在System Generator中构建图像处理系统 203HLS图像边缘检测的实现 2031创建新的设计工程 2032创建源文件 2033设计综合 2034创建仿真测试文件 2035进行协同仿真 2036添加循环控制命令 2037添加DATAFLOW命令 2038添加INLINE命令 ⅩⅨ第21章动态视频拼接的原理与实现 211视频拼接技术的发展 212图像拼接理论及关键方法 2121图像拼接系统概述 2122图像拼接流程 2123图像的采集和表示 2124图像的配准和融合 2125图像拼接演示 213图像配准算法的原理与实现 2131基于MATLAB的图像配准系统 2132关键点配准法 2133SIFT图像配准算法的流程 2134构建SIFT图像尺度空间 2135SIFT关键点检测 2136SIFT关键点描述 2137SIFT关键点匹配 2138模板匹配法 2139灰度信息法 21310频域相位相关算法 21311具有旋转变换的图像配准 214图像配准方法的对比与评价 2141图像配准方法的对比 2142图像配准方法的评价 2143F-SIFT图像配准方法 215视频拼接系统的设计 2151视频拼接技术 2152视频拼接方法 216视频拼接系统的实现 2161F-SIFT方法的实现 2162视频拼接系统的实现 217FPGA视频拼接系统的硬件实现 2171系统结构 2172系统硬件平台总体设计 2173视频数据采集模块 2174视频数据存储模块 2175视频显示接口介绍 2176视频显示模块整体设计 218系统硬件平台的测试 2181视频数据采集模块的测试 2182视频显示模块的测试 219FPGA视频拼接系统的软件设计 2191系统软件设计概述 2192系统中断部分设计 2193视频采集模块软件设计 2194视频存储模块软件设计 2195视频显示模块软件设计 2196系统整体测试 2110Vivado HLS图像拼接系统的原理与实现 21101OpenCV和HLS视频库 21102AXI4流和视频接口 21103OpenCV到RTL代码转换的流程 21104Vivado HLS实现OpenCV的方法 21105Vivado HLS实现图像拼接
