Xilinx FPGA数字信号处理系统设计指南：从HDL、Simulink到HLS的实现

本书特点
理论分析到位：系统介绍信号处理的基本理论、CORDIC算法、傅里叶变换、离散余弦变换、数字滤波器、重定时信号流图、多速率信号处理、通信信号处理、自适应信号处理和数字图像处理。
实现方法对比：通过详细介绍数字信号处理器和现场可编程门阵列的内部结构，说
明现场可编程门阵列在数字信号处理方面的巨大优势。
n 混合HDL描述：本书使用两种硬件描述语言，即VHDL和Verilog HDL，系统地介绍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与验证方法。
新的设计工具：本书使用Xilinx公司的Vivado 2017/ 2018设计工具，以及MathWorks公司的MATLAB R2016b/R2017b设计工具，其中包含了Xilinx公司新的Model Composer设计工具。
新的设计方法：基于Xilinx新的高级综合工具，通过C语言构建数字信号处理系统模型，并转换成现场可编程门阵列的硬件实现。

 

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。

何宾，任教于北京化工大学信息学院，长期从事电子设计自动化方面的教学和科研工作，与全球多家知名的半导体厂商和EDA工具厂商大学计划保持紧密合作。目前已经出版EDA方面的著作共20余部，内容涵盖电路仿真、电路设计、FPGA、单片机、嵌入式系统等。典型的代表作有《Xilinx FPGA设计权威指南》《Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC设计指南》《Altium Designer13.0电路设计、仿真与验证权威指南》《Xilinx FPGA数字设计-从门级到行为级的双重描述》《Xilinx FPGA数字信号处理权威指南-从HDL、模型到C的描述》《模拟与数字系统协同设计权威指南-Cypress集成开发环境》。

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
11信号定义和分类
12信号增益与衰减
13信号失真与测量
131放大器失真
132信号谐波失真
133谐波失真测量
14噪声及其处理方法
141噪声的定义和表示
142固有噪声电平
143噪声/失真链
144信噪比定义和表示
145信号的提取方法
15模拟信号及其处理方法
151模拟I/O信号的处理
152模拟通信信号的处理
16数字信号处理的关键问题
161数字信号处理系统结构
162信号调理的方法
163模数转换器ADC及量化效应
164数模转换器(DAC)及信号重建
165SFDR的定义和测量
17通信信号软件处理方法
171软件无线电的定义
172中频软件无线电实现
173信道化处理
174基站软件无线电接收机
175SR采样技术
176直接数字下变频
177带通采样失败的解决
第2章数字信号处理实现方法
21数字信号处理技术概念
211数字信号处理技术的发展
212数字信号处理算法的分类
213数字信号处理实现方法
22基于DSP的数字信号处理实现方法
221DSP的结构和流水线
222DSP的运行代码和性能
23基于FPGA的数字信号处理实现方法
231FPGA原理
232FPGA的逻辑资源
233FPGA实现数字信号处理的优势
234FPGA的发展
24FPGA执行数字信号处理的一些关键问题
241关键路径
242流水线
243延迟
244加法器
245乘法器
246并行/串行
247溢出的处理
25高性能信号处理的难点和技巧
251设计目标
252实现成本
253设计优化
第3章数值的表示和运算
31整数的表示方法
311二进制原码格式
312二进制反码格式
313二进制补码格式
32整数加法运算的HDL描述
321无符号整数加法运算的HDL描述
322有符号整数加法运算的HDL描述
33整数减法运算的HDL描述
331无符号整数减法运算的HDL描述
332有符号整数减法运算的HDL描述
34整数乘法运算的HDL描述
341无符号整数乘法运算的HDL描述
342有符号整数乘法运算的HDL描述
35整数除法运算的HDL描述
351无符号整数除法运算的HDL描述
352有符号整数除法运算的HDL描述
36定点数的表示方法
361定点数的格式
362定点量化
363归一化处理
364小数部分截断
365一种不同的表示方法——Trounding
366定点数运算的HDL描述库
37定点数加法运算的HDL描述
371无符号定点数加法运算的HDL描述
372有符号定点数加法运算的HDL描述
38定点数减法运算的HDL描述
381无符号定点数减法运算的HDL描述
382有符号定点数减法运算的HDL描述
39定点数乘法运算的HDL描述
391无符号定点数乘法运算的HDL描述
392有符号定点数乘法运算的HDL描述
310定点数除法运算的HDL描述
3101无符号定点数除法运算的HDL描述
3102有符号定点数除法运算的HDL描述
311浮点数的表示方法
3111浮点数的格式
3112浮点数的短指数表示
312浮点数运算的HDL描述
3121单精度浮点数加法运算的HDL描述
3122单精度浮点数减法运算的HDL描述
3123单精度浮点数乘法运算的HDL描述
3124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
41FPGA模型的设计模块
411Xilinx Blockset
412Xilinx Reference Blockset
42配置System Generator环境
43信号处理模型的构建与实现
431信号模型的构建
432模型参数的设置
433信号处理模型的仿真
434生成模型子系统
435模型HDL代码的生成
436打开生成设计文件并仿真
437协同仿真的配置与实现
438生成IP核
44编译MATLAB到FPGA
441模型的设计原理
442系统模型的建立
443系统模型的仿真
45高级综合工具HLS概述
451HLS的特性
452调度和绑定
453提取控制逻辑和I/O端口
46使用HLS实现两个矩阵相乘运算
461设计矩阵相乘模型
462添加C测试文件
463运行和调试C工程
464设计综合
465查看生成的数据处理图
466对设计执行RTL级仿真
467设计优化
468对优化后的设计执行RTL级仿真
47基于Model Composer的DSP模型构建
471Model Composer工具概述
472打开Model Composer工具
473创建一个矩阵运算实现模型
474修改设计中模块的参数
475执行仿真并分析结果
476产生输出
48在Model Composer导入C/C 代码作为定制模块
481建立C/C 代码
482将代码导入Model Composer
483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
51CORDIC算法原理
511圆坐标系旋转
512线性坐标系旋转
513双曲线坐标系旋转
514CORDIC算法通用表达式
52CORDIC循环和非循环结构硬件实现原理
521CORDIC循环结构的原理和实现方法
522CORDIC非循环结构的实现原理
523实现CORDIC非循环的流水线结构
53向量幅度的计算
54CORDIC算法的性能分析
541迭代次数对精度的影响
542总量化误差的确定
543近似误差的分析
544舍入误差的分析
545有效位deff的估算
546预测与仿真
55CORDIC算法的原理和实现方法
551CORDIC算法的收敛性
552CORDIC象限映射的实现
553向量模式下CORDIC迭代的实现
554旋转模式下CORDIC迭代的实现
56CORDIC子系统的设计
561CORDIC单元的设计
562参数化CORDIC单元
563旋转后标定的实现
564旋转后的象限解映射
57圆坐标系算术功能的设计
571反正切的实现
572正弦和余弦的实现
573向量幅度的计算
58流水线技术的CORDIC实现
581带有流水线并行阵列的实现
582串行结构的实现
583比较并行和串行的实现
59向量幅值精度的研究
591CORDIC向量幅度：设计任务
592验证计算精度
第6章离散傅里叶变换的原理与实现
61模拟周期信号的分析——傅里叶级数
62模拟非周期信号的分析——傅里叶变换
63离散序列的分析——离散傅里叶变换
631离散傅里叶变换推导
632频率离散化推导
633DFT的窗效应
64短时傅里叶变换
65离散傅里叶变换的运算量
66离散傅里叶算法的模型实现
661分析复数乘法的实现方法
662分析复数加法的实现方法
663运行设计
第7章快速傅里叶变换的原理与实现
71快速傅里叶变换的发展
72Danielson-Lanczos引理
73按时间抽取的基2 FFT算法
74按频率抽取的基2 FFT算法
75Cooley-Tuckey算法
76基4和基8的FFT算法
77FFT计算中的字长
78基于MATLAB的FFT分析
79基于模型的FFT设计与实现
710基于IP核的FFT实现
7101构建频谱分析模型
7102配置模型参数
7103设置仿真参数
7104运行和分析仿真结果
711基于C和HLS的FFT建模与实现
7111创建新的设计工程
7112创建源文件
7113设计综合
7114创建仿真测试文件
7115运行协同仿真
7116添加PIPELINE命令
7117添加ARRAY_PARTITION命令
第8章离散余弦变换的原理与实现
81DCT的定义
82DCT-2和DFT的关系
83DCT的应用
84二维DCT
841二维DCT原理
842二维DCT算法描述
85二维DCT的实现
851创建新的设计工程
852创建源文件
853设计综合
854创建仿真测试文件
855运行协同仿真
856添加PIPELINE命令
857修改PIPELINE命令
858添加PARTITION命令
859添加DATAFLOW命令
8510添加INLINE命令
8511添加RESHAPE命令
8512修改RESHAPE命令
第9章FIR滤波器和IIR滤波器的原理与实现
91模拟滤波器到数字滤波器的转换
911微分方程近似
912双线性交换
92数字滤波器的分类和应用
93FIR滤波器的原理和结构
931FIR滤波器的特性
932FIR滤波器的设计规则
94IIR滤波器的原理和结构
941IIR滤波器的原理
942IIR滤波器的模型
943IIR滤波器的Z域分析
944IIR滤波器的性能和稳定性
95DA FIR滤波器的设计
951DA FIR滤波器的设计原理
952移位寄存器模块设计
953查找表模块的设计
954查找表加法器模块的设计
955缩放比例加法器模块的设计
956DA FIR滤波器完整的设计
96MAC FIR滤波器的设计
96112×8乘和累加器模块的设计
962数据控制逻辑模块设计
963地址生成器模块的设计
964完整的MAC FIR滤波器的设计
97FIR Compiler滤波器的设计
971生成FIR滤波器系数
972建模FIR滤波器模型
973仿真FIR滤波器模型
974修改FIR滤波器模型
975仿真修改后FIR滤波器模型
98HLS FIR滤波器的设计
981设计原理
982设计FIR滤波器
983进行仿真和验证
984设计综合
985设计优化
986Vivado环境下的仿真
第10章重定时信号流图的原理与实现
101信号流图的基本

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；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。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