Xilinx FPGA数字信号处理权威指南——从HDL到模型和C的描述（EDA工程技术丛书） PDF下载

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本书系统全面的介绍了在Xilinx FPGA实现高性能信号处理的理论和方法。内容涵盖了数字信号处理基本理论、数字通信信号处理理论、数字图像处理理论以及自适应信号处理理论，书中提供了大量的设计实例，本书特色体现如下：

（1）理论分析到位：系统介绍信号处理系统组成、信号失真及测量、噪声及处理方法、模拟信号及处理方法、数字信号处理关键问题，软件无线电处理方法。

（2）实现方法对比：从不同角度对数字信号处理器DSPs和现场可编程门阵列FPGA实现数字信号处理的本质进行了详细的说明，通过处理性能和实现方法的比较，从而说明FPGA在实现数字信号处理的巨大优势。

（3）混合HDL描述：使用两种硬件描述语言VHDL和Verilog HDL，系统地描述了二进制数的不同表示方法，给出了整数运算、定点数运算和浮点数运算的实现和验证方法。

（4）*设计环境：使用Xilinx全新一代的Vivado 2013.3集成开发环境和MathWorks全新一代的集成开发环境Matlab R2013A，给出模型设计实现数字信号处理的思想和具体实现方法。

（5）*建模工具：使用Xilinx *的高级综合工具（High Level Synthesis，HLS），说明使用C/C 语言描述FPGA数字信号处理的设计思想和具体实现方式。

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内容简介

本书全面系统地从硬件描述语言、MATLAB Simlink模型和C语言三个方面，对Xilinx FPGA数字信号处理的实现原理和方法进行了详细的说明。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。全书分为五篇，共计16章。内容包括：信号处理理论基础、数字信号处理方法、数字的表示和运算的实现、CORDIC算法原理及实现、离散傅里叶变换原理及实现、快速傅里叶变换原理及实现、离散余弦变换原理及实现、FIR滤波器和IIR滤波器原理及实现、其他常用数字滤波器原理及实现、重定时信号流图原理及实现、通信信号处理原理及实现、数控振荡器原理及实现、信号同步原理及实现、数字图像处理原理及实现、动态视频拼接原理及实现、自适应信号处理原理及实现等内容。本书的设计环境使用了Xilinx*的Vivado集成开发环境和Mathworks*的MATLAB R2013a集成开发环境。在本书编写的过程中，参考了大量*的设计资料和业界设计标准。本书内容新颖、理论和应用并重，充分反映了Xilinx FPGA实现数字信号处理的*方法和技术，可以帮助读者系统地掌握这些方法和技术。本书可作为相关专业开设高性能数字信号处理课程的本科和研究生教学参考书，亦可作为从事FPGA数字信号处理相关教师、研究生和科技人员的自学参考书，同时还可作为Xilinx公司大学计划教师和学生培训用书。

作者简介

何宾，从事数字系统EDA方面的本科生和研究生相关课程的教学和科研工作，并在多个省市进行大学生电子设计竞赛FPGA专题方面的教师培训工作，在EDA教学和科研方面积累了丰富的经验。曾出版相关图书《EDA原理及应用》、《EDA原理及应用实验教程》、《片上可编程系统原理及应用》、《FPGA数字信号处理实现原理及方法》、《Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解》、《数字与片上系统设计教程》、《EDA原理及Verilog实现》、《基于AXI4的可编程SOC系统设计》。

Xilinx FPGA数字信号处理权威指南——从HDL到模型和C的描述（EDA工程技术丛书） PDF下载

序（一）序（二）前言第一篇 DSP系统的组成和处理方法第1章信号处理理论第2章数字信号处理实现方法第3章数字的表示和运算的实现第二篇数字信号处理基本理论和FPGA实现方法第4章 CORDIC算法原理及实现第5章离散傅里叶变换原理及信号频谱分析实现第6章快速傅里叶变换FFT 第7章离散余弦变换原理及实现第8章 FIR滤波器和IIR滤波器原理及实现第9章其他类型数字滤波器原理及实现第10章重定时信号流图原理及实现第三篇通信信号处理理论和FPGA实现方法第11章通信信号处理原理及实现第12章数控振荡器原理及实现第13章信号同步原理实现第四篇数字图像处理理论和FPGA实现方法第14章数字图像处理原理及实现第15章动态视频拼接原理及实现第五篇自适应信号处理理论和FPGA实现方法第16章自适应信号处理原理及实现参考文献

前沿

序（一）
我们生活在一个快速连接的世界中——全球有超过60亿台移动计算设备相互连接，并且每天都持续增加约100万台移动计算设备。预计到2020年，全球移动计算设备总数将达到300亿台。随着物联网(IoT)以及万联网(IoE)的发展，海量大数据的存储、传输、处理、挖掘技术出现了极大的挑战。从处理响应速度来看，计算的处理响应速度从文字时代的秒级，到多媒体时代的百毫秒级、视频时代的十毫秒级，会迅速推进到5G时代的1毫秒级。对海量数据在1毫秒内完成处理，将是未来数十年摆在电子信息系统设计工程师面前的巨大难题。；
随着摩尔定律走向深纳米时代，在20nm以下的工艺节点，每个节点的性价比提高幅度会比上一代逐渐减少，而前期的一次性工程费用（NRE）投入巨大，服务客户数量稀少，使得专用集成电路（ASIC）及专用标准集成电路（ASSP）在商业模式上步入绝境，赢利的公司数量锐减直至最后消亡，尚能存活的将是可编程器件。
面对海量的计算任务，多核并行曾是解决方案之一，但受制于算法可并行部分的局限，更多的核并不能带来更高的效率，加速效能也逐渐走到了尽头。此外，受单颗芯片发热量密度限制，即使芯片上集成的晶体管越来越多，但可同时运行的晶体管数目却趋于恒定，多余的晶体管将沦为暗硅 (Dark Silicon)。因此，设计者不得不将目光转向冯·诺依曼架构之外的计算构架，例如领域定制化计算（Domain Specific Computing），它可在保持灵活性的同时，发挥每一个晶体管的计算能力，当然这也离不开可编程器件技术的长足发展。
在系统级别，大数据与软件定义一切，虚拟化一切的趋势，使得系统构架工程师不得不寻求更灵活、更智慧、更快速、更绿色的解决方案。而这些解决方案的核心往往与软件、硬件及I/O均可编程的芯片——赛灵思公司的All Programmable芯片相关。；
在教育领域，除了需要培养能够应对未来数十年技术挑战的电子信息系统工程师之外，教学本身也充满了变革和机遇。随着大型开放式网络课程（MOOC）的兴起，在统一平台下通过互联网，以翻转课堂的方式，打破业界与教育界的壁垒，完成软件与硬件、理论与实验、年级与院系的全面贯通，将是很多电子信息类学科教育工作者的更高追求。；
赛灵思大学计划将不遗余力地帮助教育工作者应对这些变革，与清华大学出版社合作将All Programmable全面可编程技术系统地引入到新型知识传播体系中去，培养能够应对下一代电子系统设计挑战的卓越工程师，为实现将“中国制造”变成“中国智造”的梦想，提供充足的智力和人才保障。；

谢凯年

Xilinx大学计划大中华区经理

序（二）

很荣幸受何宾老师邀请，代表MathWorks公司为其新书《Xilinx FPGA数字信号处理权威指南——从HDL到模型和C的描述》作序。同时，也感谢何老师近年来对MATLAB软件应用，尤其是在数字信号处理方面，所做的持续的推广工作。

近年来，MathWorks公司一直致力于推广基于模型设计的嵌入式系统开发基本流程，这包括Simulink建模，定点化处理，C/HDL代码自动生成，联合仿真和硬件测试等环节。其中，有关FPGA的设计实现，即可以把Simulink模型、MATLAB代码和Stateflow框图生成位真、周期精确、可综合的Verilog和VHDL代码，并通过使用工业标准化设计工具，对自动生成的HDL代码进行仿真和综合，并进一步映射到FPGA和ASIC芯片上。这些功能经过多年的不断升级发展，已逐渐获得了工业界和教育界的广泛认可。

本书是何宾老师在已经出版的《FPGA数字信号处理实现原理及方法》基础上，根据读者学习和教师教学反馈的意见，大幅度地修订而成。本书最大特色就是首次全面系统地从硬件描述语言、MATLAB/Simulink模型和C语言三个方面，对Xilinx FPGA数字信号处理的实现原理和方法进行了详细的说明。全书内容涵盖了数字信号处理的主要的理论知识，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。同时，在Xilinx最新的Vivado 2013.3集成开发环境和MathWorks最新的MATLAB R2013A集成开发环境下，通过大量的设计实例对所介绍的理论进行了验证。

在本书编写的过程中，参考了大量最新的设计资料和业界设计标准、内容新颖、理论和应用并重，充分反映了通过MATLAB使用Xilinx FPGA实现数字信号处理的最新方法和技术，可以帮助读者系统地掌握这些方法和技术。因此我相信此书的出版，必将极大方便广大读者的学习，提升读者的工程应用能力。

陈炜

原MathWorks 中国教育业务发展总监

前言

在当今发达的信息社会里，人们所获取的信息量在急剧地增加，因此就需要有高性能的信息处理手段对所获取的海量信息进行高效地处理，以服务于信息社会的快速发展。在对信息进行数字化处理的过程中，基本的数字信号处理理论是非常重要的，这些理论已经为人类社会信息的处理服务了几十年甚至上百年。

随着计算机技术的不断发展，数字信号处理的实现也从传统的使用计算机，向使用高性能数字信号处理器发展；但本质上，在这些平台上实现数字信号处理还是纯粹的软件处理方法。随着信息量的不断增加，这些处理方法已经远远不能满足诸如实时图像和通信系统等高性能信息处理的要求。近些年来，随着半导体技术的不断发展，一种特殊的半导体器件——现场可编程阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）越来越引起信号处理者的兴趣和高度关注。这是因为，这种器件具有强大的并行信号处理能力、卓越的灵活性以及很高的性价比。但是，由于传统设计方法的限制，使得它的应用受到很大的制约。

作为全球知名的可编程逻辑器件厂商，美国Xilinx公司在FPGA的设计方法和设计手段上不断地进行探索，尤其是在数字信号处理方面，相继推出了基于模型设计的System Generator工具、基于C语言设计的高级综合工具HLS，使得FPGA在数字信号处理方面的应用越来越便捷。数字信号处理应用工程师从传统基于硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）的设计手段，向基于Simulink模型和基于C语言的设计方法转变。未来，设计者将更加专注于系统级的高级建模，而不是只专注于底层的具体实现问题。新设计手段和新设计思想的不断出现，大大降低了FPGA实现高性能数字信号处理的应用门槛，使得设计者能更好更快地设计出满足设计精度和设计性能的数字信号处理系统。

本书是在作者已经出版的《FPGA数字信号处理实现原理及方法》（清华大学出版社，2010）的基础上，根据读者学习和老师教学反馈的意见，历时半年多时间对原书进行了大幅度的修订。在国内，首次全面系统地从HDL、MATLAB Simulink模型设计、C语言三个不同的角度，对数字信号处理基本理论、数字通信信号处理理论、数字图像处理理论和自适应信号处理理论进行了详细的介绍；同时，在Xilinx最新的Vivado 2013.3集成开发环境和MathWorks最新的MATLAB R2013a集成开发环境下，通过大量的设计实例对所介绍的理论进行了验证。

通过本书的学习，一方面，读者不仅能够系统深入地学习数字信号处理的理论知识，并且可以通过书中大量的设计实例理解如何将数字信号处理的理论知识应用于解决实际的数字信号处理问题；另一方面，准确把握使用FPGA实现数字信号处理的方法，从而能够灵活地运用不同的设计手段构建满足设计要求的高性能信号处理系统。

在讲授和学习本书内容时，可以根据教学安排以及学习侧重点的不同，适当地选择本书相关的章节内容。为了便于读者能更好地理解和掌握数字信号处理理论知识，本书给出了大量的设计实例；同时，为了方便教师授课，也提供了教学资源。读者可以通过登录清华大学出版社官方网站(http://www.tup.com.cn)，进入该书页面来获取这些设计资源。

本书在编写过程中，得到了许多人的热心帮助，包括Xilinx 大中国区大学经理谢凯年博士，他为本书的编写提供了硬件平台和软件授权； Xilinx亚太区市场传播经理张俊伟女士，她为本书的编写帮助寻找Xilinx技术专家的支持； Xilinx大学计划聘请的全球讲师Bob Stewart教授和Louise Crockett教授，他们为本书编写提供了设计资料； MathWorks中国教育业务发展前任总监陈炜博士，他为本书的编写捐赠了正版的MATLAB R2013a工具； Xilinx全球技术支持Yash Palorkar等人，他们为本书编写过程中遇到的技术问题进行了耐心细致的解答。在本书编写过程中，作者的学生张艳辉通过System Generator和HLS工具对作者提出的很多新的设计目标进行了设计实现和验证，也帮助作者整理了大量的书稿。此外，作者的学生李宝隆也负责整理相关的书稿。清华大学出版社的领导和编辑一如既往地为本书的出版提供了大量的帮助。在此，向他们表示深深的谢意。

由于编者水平有限，编写时间仓促，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正。

编者

2014年10月于北京