数字信号处理的FPGA实现(第4版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[德] 乌韦·迈耶-贝斯(UweMeyer-Baes 著

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• 算法实现
• 第四版
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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302469117

商品编码：12685676513

出版时间：2017-05-01

作  者:(德)乌韦·迈耶-贝斯(Uwe Meyer-Baese) 著；陈青华,张龙杰,王诚成 译 定  价:128 出 版 社:清华大学出版社 出版日期:2017年05月01日 页  数:828 装  帧:平装 ISBN:9787302469117 ●第1章绪论
●1.1数字信号处理技术概述
●1.2FPGA技术
●1.2.1按颗粒度分类
●1.2.2按技术分类
●1.2.3FPL的基准
●1.3DSP的技术要求
●1.4设计实现
●1.4.1FPGA的结构
●1.4.2AlteraEP4CE115F29C7
●1.4.3案例研究：频率合成器
●1.4.4用知识产权内核进行设计
●1.5练习
●第2章计算机算法
●2.1计算机算法概述
●2.2数字表示法
●2.2.1定点数
●2.2.2非传统定点数
●2.2.3浮点数
●2.3二进制加法器
●部分目录

内容简介

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、器件以及用于设计优选DSP系统的工具。靠前章的案例研究是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、未来很可能实现的不错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。 (德)乌韦·迈耶-贝斯(Uwe Meyer-Baese) 著；陈青华,张龙杰,王诚成 译 乌韦·迈耶-贝斯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。

数字信号处理的FPGA实现（第4版） 书籍简介 《数字信号处理的FPGA实现（第4版）》是一本深入探讨如何将复杂的数字信号处理（DSP）算法高效地映射到现场可编程门阵列（FPGA）上的权威指南。本书面向的对象是电子工程、计算机科学、通信工程等领域的工程师、研究人员以及对FPGA和DSP技术有深入学习需求的硕博士研究生。全书以理论与实践相结合的模式，从DSP算法的基础原理出发，逐步引导读者掌握FPGA硬件实现的关键技术和设计流程，最终能够独立完成高性能、低功耗的DSP系统设计。 本书的独特之处与核心价值 在当今科技飞速发展的时代，高性能的信号处理能力已成为通信、雷达、医疗成像、消费电子等众多领域的关键驱动力。FPGA凭借其高度的可编程性、并行处理能力和实时性，在DSP系统中扮演着越来越重要的角色。然而，将复杂的DSP算法转化为高效的FPGA硬件实现，需要扎实的理论基础、丰富的实践经验以及对FPGA架构的深刻理解。 《数字信号处理的FPGA实现（第4版）》正是为了满足这一需求而生。与许多仅仅侧重于DSP算法理论或FPGA设计方法学的书籍不同，本书的核心价值在于其“桥梁”作用——它精准地连接了DSP算法的理论世界与FPGA硬件实现的实践王国。本书不回避算法的复杂性，也不低估FPGA实现的挑战，而是通过系统性的讲解和详实的案例，帮助读者跨越理解和实现上的鸿沟。 第一部分：DSP算法基础与FPGA实现基础 本书的开篇，系统地回顾和梳理了数字信号处理的核心概念，并为后续的FPGA实现奠定坚实的基础。 DSP算法基础： 离散时间信号与系统： 深入阐述了离散时间信号的特性、分类（如周期信号、非周期信号、能量信号、功率信号等），以及线性时不变（LTI）系统的基本原理，包括卷积、冲激响应、系统函数等。重点讲解了如何用数学模型来描述信号和系统，为后续的算法设计提供理论支撑。 傅里叶分析： 详细介绍了离散傅里叶变换（DFT）及其高效算法——快速傅里叶变换（FFT）的原理。强调了FFT在频率域分析中的重要性，并初步探讨了其在FPGA上的实现需求，如运算量、数据存储等。 Z变换与拉普拉斯变换： 梳理了Z变换在离散时间系统分析中的作用，包括稳定性和因果性判据，以及与傅里叶变换的关系。对于拉普拉斯变换，则侧重于其在连续时间系统分析中的应用，以及与Z变换的联系，为理解数字滤波器设计提供更广泛的视角。 滤波器设计： 重点讲解了数字滤波器的两大类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。系统地介绍了各种滤波器设计方法，如巴特沃斯、切比雪夫、线性相位FIR滤波器等。在讲解过程中，会初步提及不同滤波器结构在硬件实现上的优劣，例如CORDIC算法在实现角度计算中的高效性，以及如何在FPGA中实现这些滤波器结构。 卷积与相关： 详细讲解了卷积和相关运算在信号处理中的应用，如系统响应、模式匹配等。特别关注其运算特点，为后续在FPGA中实现并行化和流水线化打下基础。 FPGA实现基础： FPGA架构与原理： 深入剖析了FPGA的内部结构，包括逻辑单元（LUTs、Flip-flops）、布线资源、DSP slice（DSP48E/DSP48/DSP5等）、Block RAM（BRAM）、输入/输出块（IOBs）等。解释了这些组成单元如何协同工作，实现逻辑功能。 硬件描述语言（HDL）： 重点介绍了Verilog HDL和VHDL两种主流的HDL。通过丰富的示例，演示如何使用HDL描述组合逻辑和时序逻辑，如何进行模块化设计，以及如何利用HDL的结构化特性来构建复杂的数字系统。 综合与布局布线： 详细阐述了FPGA设计流程中的综合、映射、布局布线和时序分析等关键步骤。解释了综合工具如何将HDL代码转化为门级网表，布局布线工具如何将逻辑映射到FPGA资源，以及时序分析如何确保设计的时序收敛。 常用IP核与EDA工具： 介绍了FPGA设计中常用的IP核，如乘法器、加法器、FIFO、DDR控制器等，以及如何有效地利用这些IP核来加速设计进程。同时，对主流的EDA（Electronic Design Automation）工具，如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime等，进行了简要介绍和使用指导。 第二部分：DSP算法在FPGA上的实现策略与优化 本部分是本书的核心，将DSP理论与FPGA实现技术深度融合，提供了一系列行之有效的实现策略和优化技巧。 算法映射与架构选择： 算法分解与并行化： 讲解如何将复杂的DSP算法分解为更小的、可并行处理的模块。重点探讨数据级并行、任务级并行和指令级并行等概念在FPGA设计中的应用。 流水线设计： 详细介绍流水线技术在FPGA设计中的应用，如何通过增加寄存器级来提高吞吐量，并分析流水线设计可能带来的冒险和解决方案。 资源共享与模块化设计： 探讨如何在有限的FPGA资源内，通过资源共享和模块化设计来优化硬件利用率，例如，如何用一个乘法器实现多个乘法操作。 DSP slice的有效利用： 深入研究FPGA内嵌的DSP slice（如Xilinx的DSP48E/DSP48、Intel的DSP Block），讲解其内部结构（如乘法器、累加器、多路选择器等）和高级功能，指导读者如何最大限度地发挥DSP slice的性能优势。 数据表示与量化： 定点数与浮点数表示： 详细分析了在FPGA上实现DSP算法时，定点数和浮点数表示的优劣。重点讲解了定点数表示的范围、精度、溢出和截断误差等问题，以及如何进行有效的量化和缩放，以在硬件资源和计算精度之间取得平衡。 算法的量化感知设计： 介绍如何从算法设计阶段就考虑硬件实现的量化约束，使算法更适合在定点硬件上实现，从而减少精度损失。 浮点运算在FPGA上的实现： 探讨了FPGA内部浮点运算单元（如Xilinx的浮点DSP slice、Altera的浮点MAC IP核）的使用，以及如何通过IP核实现高精度的浮点运算。 关键DSP算法的FPGA实现： FIR滤波器实现： 以多种结构（如直接型、移位累加型、蝶形结构等）为例，讲解FIR滤波器在FPGA上的具体实现方法，包括系数存储、乘累加单元的设计，以及如何结合流水线和并行化技术提高性能。 IIR滤波器实现： 分析IIR滤波器在FPGA实现时的挑战，如延迟敏感性、系数精度要求等，并介绍其在FPGA上的实现结构，如直接型II、级联型等。 FFT/IFFT实现： 详细讲解FFT/IFFT算法在FPGA上的实现策略，包括蝶形单元的设计、数据重排（如位反转）、存储器管理等。介绍不同FFT算法（如库利-图基算法、Pease算法）在FPGA上的适用性，并展示如何通过流水线和并行化来加速FFT计算。 CORDIC算法实现： 讲解CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）算法在FPGA上的原理和实现，特别是在角度计算、三角函数计算、乘法等方面的应用。分析CORDIC算法在功耗和面积上的优势。 自适应滤波器实现： 介绍LMS、RLS等自适应滤波算法在FPGA上的实现方法，包括系数更新模块的设计、数据通路的设计等。 高速数据通路设计与优化： 并行数据接口： 讲解如何设计高速并行数据接口，以满足DSP系统对数据吞吐量的要求，如DDR3/DDR4接口、LVDS接口等。 片内存储器（BRAM）管理： 深入讨论FPGA片内BRAM的结构、读写模式，以及如何有效地利用BRAM来存储滤波器系数、输入/输出数据、中间结果等，避免对片外存储器的过度依赖。 DMA（Direct Memory Access）控制器设计： 介绍DMA控制器在FPGA设计中的作用，如何通过DMA将数据高效地传输到片内存储器或与外部设备进行数据交换。 时钟域交叉（CDC）处理： 讲解在多时钟域系统中，如何正确处理时钟域交叉问题，避免亚稳态的产生，确保数据传输的可靠性。 第三部分：高级应用与实践 本部分将理论与实践相结合，通过具体的应用案例，展示DSP算法FPGA实现的强大能力，并引领读者探索更广阔的应用领域。 通信系统中的DSP实现： OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统： 详细讲解OFDM系统中FFT、IFFT、加循环前缀、CP移除等关键模块在FPGA上的实现。 调制解调器（Modem）设计： 介绍QPSK、QAM等调制解调方案的FPGA实现，包括载波同步、载波恢复、误码率检测等。 信道编码与解码： 简述Turbo码、LDPC码等前向纠错（FEC）编码和解码算法在FPGA上的实现考虑。 雷达与声纳系统中的DSP实现： 脉冲压缩： 讲解匹配滤波器的FPGA实现，以及如何利用FFT来加速脉冲压缩的计算。 多普勒处理： 介绍FFT在多普勒频率提取中的应用，以及如何在FPGA上实现多普勒谱分析。 波束形成： 探讨数字波束形成（DBF）算法的FPGA实现，包括移相器、加权器等模块的设计。 图像与视频处理中的DSP实现： 图像滤波： 讲解Sobel、Laplacian、高斯滤波等图像增强算法在FPGA上的实现，以及如何处理二维数据。 图像缩放与旋转： 探讨图像缩放和旋转算法在FPGA上的实现策略，关注计算量和数据流。 视频编码/解码基础： 简要介绍H.264/H.265等视频编码标准中，部分DSP密集型模块（如DCT、量化）在FPGA上的实现思路。 嵌入式DSP系统设计： FPGA与嵌入式处理器协同设计： 讲解如何将FPGA与ARM、RISC-V等嵌入式处理器结合，构建高性能的异构计算系统。 AXI总线协议在FPGA与处理器接口中的应用： 详细介绍AXI（Advanced eXtensible Interface）总线协议，以及如何在FPGA设计中实现AXI主/从接口，实现高效的数据交互。 功耗优化技术： 探讨在FPGA设计中降低功耗的方法，如动态电压频率调整（DVFS）、时钟门控、低功耗IP核选择等。 性能评估与调试： 时序约束与时序收敛： 强调在FPGA设计中进行精确时序约束的重要性，以及如何通过分析时序报告来解决时序问题，确保设计满足性能要求。 仿真与硬件验证： 讲解在FPGA设计流程中，行为仿真、门级仿真、静态时序分析（STA）以及硬件调试（如ILA、VIO）的重要性。 性能瓶颈分析与优化： 提供分析FPGA设计性能瓶颈的方法，并指导读者如何针对性地进行优化。 结论 《数字信号处理的FPGA实现（第4版）》以其前瞻性的视角、深厚的理论功底、丰富的实践案例以及对最新FPGA技术的关注，为读者提供了一条从理解DSP算法到掌握FPGA硬件实现的清晰路径。本书不仅是一本技术手册，更是一本能够激发读者创造力、解决复杂工程问题的思想源泉。无论您是希望将现有DSP算法移植到FPGA以提升性能，还是计划从零开始设计高性能的DSP系统，本书都将是您不可或缺的宝贵财富。通过阅读本书，您将能够自信地驾驭FPGA硬件，实现前沿的数字信号处理应用，并在快速发展的科技领域中脱颖而出。

评分☆☆☆☆☆

评价五 这本书是我近期阅读过的最富有洞察力的技术书籍之一，它为我打开了全新的视角。作为一名在人工智能领域工作的研究员，我常常需要处理海量的数据，并进行复杂的计算。虽然深度学习框架为我们提供了便利，但对于一些对实时性和功耗有极高要求的应用场景，我开始探索硬件加速的可能性，而 FPGA 便是其中一个重要的方向。这本书恰好填补了我在这方面的知识空白。书中对各种图像和语音信号处理算法，如边缘检测、特征提取、语音识别等，在 FPGA 上的实现都进行了深入的探讨。我尤其欣赏书中关于模式识别和机器学习算法在 FPGA 上的加速实现。作者详细介绍了如何在 FPGA 上实现卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）的部分模块，例如卷积层、池化层、全连接层等，并讨论了如何利用 FPGA 的并行计算能力和高带宽存储器来加速推理过程。书中对量化技术、低精度计算以及如何设计高效的硬件算子等方面的讨论，也让我深刻理解了在硬件上实现 AI 算法所面临的挑战和机遇。这本书不仅提供了理论指导，更提供了许多实际可行的工程方案，对于希望在嵌入式 AI 领域进行探索的读者来说，这本书绝对是一本不可多得的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

评价二 我最近沉迷于这本书，简直爱不释手！作为一名研究生，我正在进行一项与通信系统相关的研究，其中涉及到大量的数字信号处理算法。起初，我试图通过纯软件实现这些算法，但很快就发现性能瓶颈，因此我将目光投向了 FPGA。这本书的出现，简直是为我量身定做的。它不仅介绍了常见的 DSP 算法，例如 FIR、IIR 滤波器，还深入讲解了这些算法在 FPGA 上的具体实现方法，包括如何将算法分解成可并行处理的模块，如何利用 FPGA 的片上资源（如 DSP Slice、BRAM）来提高效率，以及如何进行时序约束和功耗优化。书中提供的 C/C++ 代码与 Verilog 代码的对照分析，更是极大地帮助我理解了算法到硬件的转换过程。我特别欣赏书中关于自适应滤波器的讲解，书中不仅介绍了 LMS 和 RLS 等算法的原理，还详细阐述了如何在 FPGA 上实现这些算法，并且给出了优化策略，例如如何处理固定点运算的精度问题，以及如何设计高效的乘法器和累加器。这些细节对于我完成实际研究项目至关重要。此外，书中还讨论了 FPGA 的开发流程，从设计、仿真到综合、实现，提供了完整的解决方案，这对于我这样的新手来说，提供了非常宝贵的指导。这本书的实用性和深度，绝对超出我的预期。

评分☆☆☆☆☆

评价四 我可以说，这本书彻底改变了我对数字信号处理和 FPGA 结合的认知！在此之前，我一直认为 FPGA 只是一个高性能的逻辑器件，而 DSP 算法则更多地是软件层面的事情。但是，这本书让我看到了将两者完美结合的巨大潜力。书中对各种通信信号处理算法，如调制解调、信道编码、均衡等，在 FPGA 上的实现都进行了细致的剖析。我最感兴趣的是关于 OFDM（正交频分复用）的实现章节，作者不仅介绍了 OFDM 的原理，还详细讲解了如何在 FPGA 上实现 IFFT/FFT、循环前缀的添加与去除等关键步骤，并且讨论了固定点运算对性能的影响以及如何进行量化设计。此外，书中还涉及了对噪声和干扰的抑制技术，以及如何利用 FPGA 实现高级的信号分析功能，例如功率谱密度估计和相关分析。这些内容对于我目前正在从事的无线通信项目非常有帮助。书中对工程实践的关注，例如低功耗设计、抗干扰设计以及如何处理实时性要求，也让我受益匪浅。这本书的逻辑严谨，条理清晰，图文并茂，非常适合那些想要深入了解 DSP 和 FPGA 结合的读者。

评分☆☆☆☆☆

评价三 这本书的第四版，在我看来，是一次对经典知识的深度打磨和前沿技术的融汇。作为一名在嵌入式系统领域工作多年的工程师，我一直关注着数字信号处理在 FPGA 上的应用。这本书的内容涵盖了从基础的数学原理到复杂的系统级设计，几乎触及了 DSP 在 FPGA 上的每一个重要环节。书中对各种滤波器的理论讲解清晰易懂，并且将理论与 FPGA 的硬件实现紧密结合。我尤其对书中关于频率合成器和锁相环（PLL）在 FPGA 上的实现章节印象深刻。作者详细介绍了 DDS（直接数字合成）的原理和在 FPGA 上的具体实现方法，包括如何设计相位累加器、幅度查找表等，并给出了代码示例。此外，书中还深入探讨了如何在 FPGA 上构建高精度的锁相环，以满足通信系统中对频率稳定性和精确度的严苛要求。书中对各种 FPGA 平台（如 Xilinx 和 Altera）的特性以及如何根据不同平台选择合适的实现策略也做了很好的介绍，这对于跨平台开发非常有价值。对于那些希望将 DSP 算法从理论层面转化为实际硬件产品的工程师来说，这本书无疑提供了一个非常全面的参考框架，能够帮助他们少走弯路，提高开发效率。

评分☆☆☆☆☆

评价一 这是一本我寻觅已久的宝藏，终于让我遇到了！作为一名 FPGA 爱好者，我一直对如何将复杂的数字信号处理算法高效地移植到硬件上感到好奇，而这本书恰好满足了我所有的疑问。从基础概念的梳理，到各种经典算法的 FPGA 实现细节，作者都讲解得极其到位。尤其是关于滤波器设计与实现的部分，书中不仅给出了理论推导，还提供了详细的 Verilog 代码示例，并辅以仿真结果分析，这对于我这种喜欢动手实践的人来说，简直是福音。作者的讲解方式非常清晰，即使是初次接触 FPGA 的读者，也能循序渐进地理解其中的奥妙。书中对量化误差、流水线设计、资源优化等工程实践中的关键点也给予了充分的重视，这让我意识到，将算法转化为高效的硬件并非易事，需要综合考虑多方面因素。我尤其喜欢书中关于 FFT 算法在 FPGA 上的实现，书中不仅介绍了基2DIT和基2DIF算法，还对蝶形运算单元的优化进行了深入探讨，并给出了如何处理不同规模 FFT 的策略，这对于我在实际项目中的应用非常有指导意义。总而言之，这本书的出版，无疑为数字信号处理和 FPGA 领域的研究者和工程师提供了一份宝贵的参考资料，我强烈推荐给所有对此领域感兴趣的朋友。