Intel FPGA数字信号处理系统设计权威指南：从HDL、Simulink到HLS的实现（基础篇）

本书从硬件描述语言、Simulink环境下的模型构建和Intel FPGA高级综合工具下的C/C 程序设计三个不同的角度，本书从硬件描述语言、模型设计和高级综合HLS三个角度对使用Intel公司现场可编程门阵列器件构建数字信号处理系统的方法进行了详细的介绍。本书内容涵盖了信号处理基本理论、CORDIC算法的FPGA实现、Intel FPGA数字信号处理工具、傅里叶变换的FPGA实现、离散余弦变换的FPGA实现、数字滤波器的FPGA实现、多速率信号处理的FPGA实现，以及其他常用数字滤波器的FPGA实现。

何宾 知名的嵌入式和EDA技术专家，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工具厂商密切合作。已经出版电子信息方面的著作共40余部，内容涵盖电路仿真、电路设计、FPGA、数字信号处理、单片机、嵌入式系统等。典型的代表作有《模拟电子系统设计指南（基础篇）：从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》、《模拟电子系统设计指南（实践篇）：从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》、《Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现-基于ARM Cortex-A9双核处理器和Vivado的设计方法》、《Altium Designer17一体化设计标准教程-从仿真原理和PCB设计到单片机系统》、《STC8系列单片机开发指南：面向处理器、程序设计和操作系统的分析与应用》等。

第1章信号处理理论基础

1.1信号定义

1.2信号增益与衰减

1.3信号失真及其测量

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数字信号处理系统的结构

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的定义及测量

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数字信号处理实现的方法

2.2基于DSPs的数字信号处理实现原理

2.2.1DSPs的结构及流水线

2.2.2DSPs的运行代码及性能

2.3基于FPGA的数字信号处理实现原理

2.3.1FPGA基本原理

2.3.2逻辑阵列块和自适应逻辑块

2.3.3块存储器

2.3.4时钟网络和相位锁相环

2.3.5I/O块

2.3.6DSP块

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无符号数加法运算的HDL描述

3.2.2有符号数加法运算的HDL描述

3.3整数减法运算的HDL描述

3.3.1无符号数减法运算的HDL描述

3.3.2有符号数减法运算的HDL描述

3.4整数乘法运算的HDL描述

3.4.1无符号数乘法运算的HDL描述

3.4.2有符号数乘法运算的HDL描述

3.5整数除法运算的HDL描述

3.5.1无符号数除法运算的HDL描述

3.5.2有符号数除法运算的HDL描述

3.6定点数的表示方法

3.6.1定点二进制数格式

3.6.2定点数的量化方法

3.6.3数据的标定

3.6.4归一化处理

3.6.5小数部分截断

3.6.6一种不同的方法：Trounding

3.6.7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

3.13浮点数运算IP核的应用

3.13.1浮点IP核的功能

3.13.2建立新的设计工程

3.13.3浮点IP核实例的生成

3.13.4例化IP核实例

3.13.5生成测试平台文件

3.13.6设计的仿真

第4章Intel FPGA数字信号处理工具

4.1Intel FPGA模型设计基础

4.1.1用于Intel FPGA设计结构的DSP Builder

4.1.2用于Intel FPGA库的DSP Builder

4.1.3用于Intel FPGA器件所支持的DSP Builder

4.1.4DSP Builder设计流程

4.2信号处理模型的构建和仿真

4.2.1启动DSP Builder工具

4.2.2获取DSP Builder设计实例帮助

4.2.3DSP Builder菜单选项介绍

4.2.4DSP Builder中的一些基本概念

4.2.5构建数字信号处理模型

4.2.6创建设计子系统

4.2.7设置模型参数

4.2.8信号处理模型的Simulink仿真

4.2.9信号处理模型的ModelSim仿真

4.2.10查看设计中所使用的资源

4.2.11打开Quartus Prime设计工程

4.2.12C 软件模型验证设计

4.3信号处理模型的硬件验证

4.3.1硬件验证

4.3.2使用环路系统的硬件验证

4.4包含处理器总线接口的模型设计

4.4.1在DSP Builder设计中分配基地址

4.4.2添加DSP Builder设计到Platform Designer系统

4.4.3使用处理器更新寄存器

4.5DSP Builder HDL导入设计

4.5.1实现原理

4.5.2打开DSP Builder工具

4.5.3建立新的设计模型

4.5.4执行协同仿真

4.6基于HLS构建和验证算法模型

4.6.1构建C 模型和测试平台

4.6.2设置高级综合编译器

4.6.3运行高级综合编译器

4.6.4查看高级设计报告

4.6.5查看元器件RTL仿真波形

第5章CORDIC算法原理及实现

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的非循环的流水线结构

5.3向量幅度的计算

5.4CORDIC算法的模型实现

5.4.1CORDIC算法收敛性原理

5.4.2CORDIC象限映射实现

5.4.3向量模式下的CORDIC迭代实现

5.4.4旋转模式的CORDIC迭代实现

ⅩⅦ5.5CORDIC子系统的模型实现

5.5.1CORDIC单元的设计

5.5.2参数化CORDIC单元

5.5.3旋转后标定的实现

5.5.4旋转后的象限解映射

5.6圆坐标系算术功能的模型实现

5.6.1反正切的实现

5.6.2正弦和余弦的实现

5.6.3向量幅度的计算

5.7流水线技术的CORDIC模型实现

5.7.1带有流水线并行阵列的实现

5.7.2串行结构实现

5.8向量幅度精度的研究

5.8.1CORDIC向量幅度精度控制

5.8.2CORDIC向量幅度精度比较

5.9调用CORDIC块的模型实现

5.10CORDIC算法的HLS实现

5.10.1CORDIC算法的C 描述

5.10.2HLS转换设计

5.10.3优化设计

第6章离散傅里叶变换原理及实现

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系统模型结构

6.6.2分析复数乘法

6.6.3分析复数加法

6.6.4运行设计

第7章快速傅里叶变换原理及实现

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

ⅩⅧ7.5Cooley-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的分析

7.9基于模型的FFT设计与实现

7.10基于IP核的FFT实现

7.10.1FFT IP库

7.10.2启动DSP Builder工具

7.10.3构建设计模型

7.10.4配置模型参数

7.10.5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创建设计源文件

7.11.3设计编译和处理

7.11.4设计的高级综合

7.11.5添加循环展开用户策略

7.11.6添加存储器属性用户策略

第8章离散余弦变换原理及实现

8.1切比雪夫多项式

8.2DCT的起源和发展

8.3DCT和DFT的关系

8.4二维DCT变换原理

8.4.1二维DCT变换原理

8.4.2二维DCT实现方法

8.5二维DCT变换的HLS实现

8.5.1创建新的设计工程

8.5.2创建设计文件

8.5.3验证C 模型

8.5.4设计综合

8.5.5查看综合结果

8.5.6运行RTL仿真

8.5.7添加循环合并命令

8.5.8添加存储器属性命令

8.5.9添加循环展开命令

第9章FIR和IIR滤波器原理及实现

9.1模拟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

ⅩⅨ9.3FIR数字滤波器的原理和结构

9.3.1FIR数字滤波器的特性

9.3.2FIR滤波器的设计规则

9.4IIR数字滤波器的原理和结构

9.4.1IIR数字滤波器的原理

9.4.2IIR数字滤波器的模型

9.4.3IIR数字滤波器的z域分析

9.4.4IIR数字滤波器的性能及稳定性

9.5DA FIR数字滤波器的设计

9.5.1DA FIR数字滤波器的设计原理

9.5.2启动DSP Builder

9.5.3添加和配置信号源子系统

9.5.4添加和配置移位寄存器子系统

9.5.5添加和配置位选择子系统

9.5.6添加和配置查找表子系统

9.5.7添加和配置加法器子系统

9.5.8添加和配置缩放比例加法器子系统

9.5.9添加和配置系统控制模块

9.6串行MAC FIR数字滤波器的设计

9.6.1串行和并行MAC FIR数字滤波器的原理

9.6.2串行MAC FIR数字滤波器的结构

9.6.3串行MAC FIR数字滤波器设计要求

9.6.412×8乘和累加器子系统的设计

9.6.5数据控制逻辑子系统设计

9.6.6地址生成器子系统的设计

9.6.7完整串行MAC FIR数字滤波器模型的设计

9.7基于FIR IP核的滤波器设计

9.7.1SingleRateFIR IP原理

9.7.2建立新的设计模型

9.7.3构建基于SingleRateFIR块的滤波器模型

9.8FIR数字滤波器的C 描述和HLS实现

9.8.1设计原理

9.8.2创建新的设计工程

9.8.3创建设计文件

9.8.4验证C 模型

9.8.5设计9