數字信號處理的FPGA實現(第4版) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[德] 烏韋·邁耶-貝斯(UweMeyer-Baes 著

圖書標籤:

• 數字信號處理
• FPGA
• 信號處理
• FPGA實現
• 通信工程
• 電子工程
• 數字電路
• 算法實現
• 第四版
• 嵌入式係統

店鋪： 文軒網旗艦店

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302469117

商品編碼：12685676513

齣版時間：2017-05-01

作  者:(德)烏韋·邁耶-貝斯(Uwe Meyer-Baese) 著；陳青華,張龍傑,王誠成 譯 定  價:128 齣 版 社:清華大學齣版社 齣版日期:2017年05月01日 頁  數:828 裝  幀:平裝 ISBN:9787302469117 ●第1章緒論
●1.1數字信號處理技術概述
●1.2FPGA技術
●1.2.1按顆粒度分類
●1.2.2按技術分類
●1.2.3FPL的基準
●1.3DSP的技術要求
●1.4設計實現
●1.4.1FPGA的結構
●1.4.2AlteraEP4CE115F29C7
●1.4.3案例研究：頻率閤成器
●1.4.4用知識産權內核進行設計
●1.5練習
●第2章計算機算法
●2.1計算機算法概述
●2.2數字錶示法
●2.2.1定點數
●2.2.2非傳統定點數
●2.2.3浮點數
●2.3二進製加法器
●部分目錄

內容簡介

FPGA正在掀起一場數字信號處理的變革。本書旨在講解前端數字信號處理算法的高效實現。首先概述瞭當前的FPGA技術、器件以及用於設計優選DSP係統的工具。靠前章的案例研究是40多個設計示例的基礎。隨後幾章闡述瞭計算機算法的概念、理論、FIR和IIR濾波器的實現、多抽樣率數字信號係統、DFT和FFT算法、未來很可能實現的不錯算法以及自適應濾波器等。每一章都包含練習。附錄中給齣瞭Verilog源代碼和術語。 (德)烏韋·邁耶-貝斯(Uwe Meyer-Baese) 著；陳青華,張龍傑,王誠成 譯 烏韋·邁耶-貝斯在德國南部的達姆施塔特技術大學講授瞭多年的FPGA通信係統設計課程，過去10年中他在達姆施塔特技術大學和美國佛羅裏達大學指導瞭60多篇碩士研究生畢業論文，基於豐富的教學經驗，他曾經撰寫過有關數字信號處理方麵的多本教材。

數字信號處理的FPGA實現（第4版） 書籍簡介 《數字信號處理的FPGA實現（第4版）》是一本深入探討如何將復雜的數字信號處理（DSP）算法高效地映射到現場可編程門陣列（FPGA）上的權威指南。本書麵嚮的對象是電子工程、計算機科學、通信工程等領域的工程師、研究人員以及對FPGA和DSP技術有深入學習需求的碩博士研究生。全書以理論與實踐相結閤的模式，從DSP算法的基礎原理齣發，逐步引導讀者掌握FPGA硬件實現的關鍵技術和設計流程，最終能夠獨立完成高性能、低功耗的DSP係統設計。 本書的獨特之處與核心價值 在當今科技飛速發展的時代，高性能的信號處理能力已成為通信、雷達、醫療成像、消費電子等眾多領域的關鍵驅動力。FPGA憑藉其高度的可編程性、並行處理能力和實時性，在DSP係統中扮演著越來越重要的角色。然而，將復雜的DSP算法轉化為高效的FPGA硬件實現，需要紮實的理論基礎、豐富的實踐經驗以及對FPGA架構的深刻理解。 《數字信號處理的FPGA實現（第4版）》正是為瞭滿足這一需求而生。與許多僅僅側重於DSP算法理論或FPGA設計方法學的書籍不同，本書的核心價值在於其“橋梁”作用——它精準地連接瞭DSP算法的理論世界與FPGA硬件實現的實踐王國。本書不迴避算法的復雜性，也不低估FPGA實現的挑戰，而是通過係統性的講解和詳實的案例，幫助讀者跨越理解和實現上的鴻溝。 第一部分：DSP算法基礎與FPGA實現基礎 本書的開篇，係統地迴顧和梳理瞭數字信號處理的核心概念，並為後續的FPGA實現奠定堅實的基礎。 DSP算法基礎： 離散時間信號與係統： 深入闡述瞭離散時間信號的特性、分類（如周期信號、非周期信號、能量信號、功率信號等），以及綫性時不變（LTI）係統的基本原理，包括捲積、衝激響應、係統函數等。重點講解瞭如何用數學模型來描述信號和係統，為後續的算法設計提供理論支撐。 傅裏葉分析： 詳細介紹瞭離散傅裏葉變換（DFT）及其高效算法——快速傅裏葉變換（FFT）的原理。強調瞭FFT在頻率域分析中的重要性，並初步探討瞭其在FPGA上的實現需求，如運算量、數據存儲等。 Z變換與拉普拉斯變換： 梳理瞭Z變換在離散時間係統分析中的作用，包括穩定性和因果性判據，以及與傅裏葉變換的關係。對於拉普拉斯變換，則側重於其在連續時間係統分析中的應用，以及與Z變換的聯係，為理解數字濾波器設計提供更廣泛的視角。 濾波器設計： 重點講解瞭數字濾波器的兩大類：無限衝激響應（IIR）濾波器和有限衝激響應（FIR）濾波器。係統地介紹瞭各種濾波器設計方法，如巴特沃斯、切比雪夫、綫性相位FIR濾波器等。在講解過程中，會初步提及不同濾波器結構在硬件實現上的優劣，例如CORDIC算法在實現角度計算中的高效性，以及如何在FPGA中實現這些濾波器結構。 捲積與相關： 詳細講解瞭捲積和相關運算在信號處理中的應用，如係統響應、模式匹配等。特彆關注其運算特點，為後續在FPGA中實現並行化和流水綫化打下基礎。 FPGA實現基礎： FPGA架構與原理： 深入剖析瞭FPGA的內部結構，包括邏輯單元（LUTs、Flip-flops）、布綫資源、DSP slice（DSP48E/DSP48/DSP5等）、Block RAM（BRAM）、輸入/輸齣塊（IOBs）等。解釋瞭這些組成單元如何協同工作，實現邏輯功能。 硬件描述語言（HDL）： 重點介紹瞭Verilog HDL和VHDL兩種主流的HDL。通過豐富的示例，演示如何使用HDL描述組閤邏輯和時序邏輯，如何進行模塊化設計，以及如何利用HDL的結構化特性來構建復雜的數字係統。 綜閤與布局布綫： 詳細闡述瞭FPGA設計流程中的綜閤、映射、布局布綫和時序分析等關鍵步驟。解釋瞭綜閤工具如何將HDL代碼轉化為門級網錶，布局布綫工具如何將邏輯映射到FPGA資源，以及時序分析如何確保設計的時序收斂。 常用IP核與EDA工具： 介紹瞭FPGA設計中常用的IP核，如乘法器、加法器、FIFO、DDR控製器等，以及如何有效地利用這些IP核來加速設計進程。同時，對主流的EDA（Electronic Design Automation）工具，如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime等，進行瞭簡要介紹和使用指導。 第二部分：DSP算法在FPGA上的實現策略與優化 本部分是本書的核心，將DSP理論與FPGA實現技術深度融閤，提供瞭一係列行之有效的實現策略和優化技巧。 算法映射與架構選擇： 算法分解與並行化： 講解如何將復雜的DSP算法分解為更小的、可並行處理的模塊。重點探討數據級並行、任務級並行和指令級並行等概念在FPGA設計中的應用。 流水綫設計： 詳細介紹流水綫技術在FPGA設計中的應用，如何通過增加寄存器級來提高吞吐量，並分析流水綫設計可能帶來的冒險和解決方案。 資源共享與模塊化設計： 探討如何在有限的FPGA資源內，通過資源共享和模塊化設計來優化硬件利用率，例如，如何用一個乘法器實現多個乘法操作。 DSP slice的有效利用： 深入研究FPGA內嵌的DSP slice（如Xilinx的DSP48E/DSP48、Intel的DSP Block），講解其內部結構（如乘法器、纍加器、多路選擇器等）和高級功能，指導讀者如何最大限度地發揮DSP slice的性能優勢。 數據錶示與量化： 定點數與浮點數錶示： 詳細分析瞭在FPGA上實現DSP算法時，定點數和浮點數錶示的優劣。重點講解瞭定點數錶示的範圍、精度、溢齣和截斷誤差等問題，以及如何進行有效的量化和縮放，以在硬件資源和計算精度之間取得平衡。 算法的量化感知設計： 介紹如何從算法設計階段就考慮硬件實現的量化約束，使算法更適閤在定點硬件上實現，從而減少精度損失。 浮點運算在FPGA上的實現： 探討瞭FPGA內部浮點運算單元（如Xilinx的浮點DSP slice、Altera的浮點MAC IP核）的使用，以及如何通過IP核實現高精度的浮點運算。 關鍵DSP算法的FPGA實現： FIR濾波器實現： 以多種結構（如直接型、移位纍加型、蝶形結構等）為例，講解FIR濾波器在FPGA上的具體實現方法，包括係數存儲、乘纍加單元的設計，以及如何結閤流水綫和並行化技術提高性能。 IIR濾波器實現： 分析IIR濾波器在FPGA實現時的挑戰，如延遲敏感性、係數精度要求等，並介紹其在FPGA上的實現結構，如直接型II、級聯型等。 FFT/IFFT實現： 詳細講解FFT/IFFT算法在FPGA上的實現策略，包括蝶形單元的設計、數據重排（如位反轉）、存儲器管理等。介紹不同FFT算法（如庫利-圖基算法、Pease算法）在FPGA上的適用性，並展示如何通過流水綫和並行化來加速FFT計算。 CORDIC算法實現： 講解CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）算法在FPGA上的原理和實現，特彆是在角度計算、三角函數計算、乘法等方麵的應用。分析CORDIC算法在功耗和麵積上的優勢。 自適應濾波器實現： 介紹LMS、RLS等自適應濾波算法在FPGA上的實現方法，包括係數更新模塊的設計、數據通路的設計等。 高速數據通路設計與優化： 並行數據接口： 講解如何設計高速並行數據接口，以滿足DSP係統對數據吞吐量的要求，如DDR3/DDR4接口、LVDS接口等。 片內存儲器（BRAM）管理： 深入討論FPGA片內BRAM的結構、讀寫模式，以及如何有效地利用BRAM來存儲濾波器係數、輸入/輸齣數據、中間結果等，避免對片外存儲器的過度依賴。 DMA（Direct Memory Access）控製器設計： 介紹DMA控製器在FPGA設計中的作用，如何通過DMA將數據高效地傳輸到片內存儲器或與外部設備進行數據交換。 時鍾域交叉（CDC）處理： 講解在多時鍾域係統中，如何正確處理時鍾域交叉問題，避免亞穩態的産生，確保數據傳輸的可靠性。 第三部分：高級應用與實踐 本部分將理論與實踐相結閤，通過具體的應用案例，展示DSP算法FPGA實現的強大能力，並引領讀者探索更廣闊的應用領域。 通信係統中的DSP實現： OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）係統： 詳細講解OFDM係統中FFT、IFFT、加循環前綴、CP移除等關鍵模塊在FPGA上的實現。 調製解調器（Modem）設計： 介紹QPSK、QAM等調製解調方案的FPGA實現，包括載波同步、載波恢復、誤碼率檢測等。 信道編碼與解碼： 簡述Turbo碼、LDPC碼等前嚮糾錯（FEC）編碼和解碼算法在FPGA上的實現考慮。 雷達與聲納係統中的DSP實現： 脈衝壓縮： 講解匹配濾波器的FPGA實現，以及如何利用FFT來加速脈衝壓縮的計算。 多普勒處理： 介紹FFT在多普勒頻率提取中的應用，以及如何在FPGA上實現多普勒譜分析。 波束形成： 探討數字波束形成（DBF）算法的FPGA實現，包括移相器、加權器等模塊的設計。 圖像與視頻處理中的DSP實現： 圖像濾波： 講解Sobel、Laplacian、高斯濾波等圖像增強算法在FPGA上的實現，以及如何處理二維數據。 圖像縮放與鏇轉： 探討圖像縮放和鏇轉算法在FPGA上的實現策略，關注計算量和數據流。 視頻編碼/解碼基礎： 簡要介紹H.264/H.265等視頻編碼標準中，部分DSP密集型模塊（如DCT、量化）在FPGA上的實現思路。 嵌入式DSP係統設計： FPGA與嵌入式處理器協同設計： 講解如何將FPGA與ARM、RISC-V等嵌入式處理器結閤，構建高性能的異構計算係統。 AXI總綫協議在FPGA與處理器接口中的應用： 詳細介紹AXI（Advanced eXtensible Interface）總綫協議，以及如何在FPGA設計中實現AXI主/從接口，實現高效的數據交互。 功耗優化技術： 探討在FPGA設計中降低功耗的方法，如動態電壓頻率調整（DVFS）、時鍾門控、低功耗IP核選擇等。 性能評估與調試： 時序約束與時序收斂： 強調在FPGA設計中進行精確時序約束的重要性，以及如何通過分析時序報告來解決時序問題，確保設計滿足性能要求。 仿真與硬件驗證： 講解在FPGA設計流程中，行為仿真、門級仿真、靜態時序分析（STA）以及硬件調試（如ILA、VIO）的重要性。 性能瓶頸分析與優化： 提供分析FPGA設計性能瓶頸的方法，並指導讀者如何針對性地進行優化。 結論 《數字信號處理的FPGA實現（第4版）》以其前瞻性的視角、深厚的理論功底、豐富的實踐案例以及對最新FPGA技術的關注，為讀者提供瞭一條從理解DSP算法到掌握FPGA硬件實現的清晰路徑。本書不僅是一本技術手冊，更是一本能夠激發讀者創造力、解決復雜工程問題的思想源泉。無論您是希望將現有DSP算法移植到FPGA以提升性能，還是計劃從零開始設計高性能的DSP係統，本書都將是您不可或缺的寶貴財富。通過閱讀本書，您將能夠自信地駕馭FPGA硬件，實現前沿的數字信號處理應用，並在快速發展的科技領域中脫穎而齣。

評分☆☆☆☆☆

評價一 這是一本我尋覓已久的寶藏，終於讓我遇到瞭！作為一名 FPGA 愛好者，我一直對如何將復雜的數字信號處理算法高效地移植到硬件上感到好奇，而這本書恰好滿足瞭我所有的疑問。從基礎概念的梳理，到各種經典算法的 FPGA 實現細節，作者都講解得極其到位。尤其是關於濾波器設計與實現的部分，書中不僅給齣瞭理論推導，還提供瞭詳細的 Verilog 代碼示例，並輔以仿真結果分析，這對於我這種喜歡動手實踐的人來說，簡直是福音。作者的講解方式非常清晰，即使是初次接觸 FPGA 的讀者，也能循序漸進地理解其中的奧妙。書中對量化誤差、流水綫設計、資源優化等工程實踐中的關鍵點也給予瞭充分的重視，這讓我意識到，將算法轉化為高效的硬件並非易事，需要綜閤考慮多方麵因素。我尤其喜歡書中關於 FFT 算法在 FPGA 上的實現，書中不僅介紹瞭基2DIT和基2DIF算法，還對蝶形運算單元的優化進行瞭深入探討，並給齣瞭如何處理不同規模 FFT 的策略，這對於我在實際項目中的應用非常有指導意義。總而言之，這本書的齣版，無疑為數字信號處理和 FPGA 領域的研究者和工程師提供瞭一份寶貴的參考資料，我強烈推薦給所有對此領域感興趣的朋友。

評分☆☆☆☆☆

評價三 這本書的第四版，在我看來，是一次對經典知識的深度打磨和前沿技術的融匯。作為一名在嵌入式係統領域工作多年的工程師，我一直關注著數字信號處理在 FPGA 上的應用。這本書的內容涵蓋瞭從基礎的數學原理到復雜的係統級設計，幾乎觸及瞭 DSP 在 FPGA 上的每一個重要環節。書中對各種濾波器的理論講解清晰易懂，並且將理論與 FPGA 的硬件實現緊密結閤。我尤其對書中關於頻率閤成器和鎖相環（PLL）在 FPGA 上的實現章節印象深刻。作者詳細介紹瞭 DDS（直接數字閤成）的原理和在 FPGA 上的具體實現方法，包括如何設計相位纍加器、幅度查找錶等，並給齣瞭代碼示例。此外，書中還深入探討瞭如何在 FPGA 上構建高精度的鎖相環，以滿足通信係統中對頻率穩定性和精確度的嚴苛要求。書中對各種 FPGA 平颱（如 Xilinx 和 Altera）的特性以及如何根據不同平颱選擇閤適的實現策略也做瞭很好的介紹，這對於跨平颱開發非常有價值。對於那些希望將 DSP 算法從理論層麵轉化為實際硬件産品的工程師來說，這本書無疑提供瞭一個非常全麵的參考框架，能夠幫助他們少走彎路，提高開發效率。

評分☆☆☆☆☆

評價五 這本書是我近期閱讀過的最富有洞察力的技術書籍之一，它為我打開瞭全新的視角。作為一名在人工智能領域工作的研究員，我常常需要處理海量的數據，並進行復雜的計算。雖然深度學習框架為我們提供瞭便利，但對於一些對實時性和功耗有極高要求的應用場景，我開始探索硬件加速的可能性，而 FPGA 便是其中一個重要的方嚮。這本書恰好填補瞭我在這方麵的知識空白。書中對各種圖像和語音信號處理算法，如邊緣檢測、特徵提取、語音識彆等，在 FPGA 上的實現都進行瞭深入的探討。我尤其欣賞書中關於模式識彆和機器學習算法在 FPGA 上的加速實現。作者詳細介紹瞭如何在 FPGA 上實現捲積神經網絡（CNN）和循環神經網絡（RNN）的部分模塊，例如捲積層、池化層、全連接層等，並討論瞭如何利用 FPGA 的並行計算能力和高帶寬存儲器來加速推理過程。書中對量化技術、低精度計算以及如何設計高效的硬件算子等方麵的討論，也讓我深刻理解瞭在硬件上實現 AI 算法所麵臨的挑戰和機遇。這本書不僅提供瞭理論指導，更提供瞭許多實際可行的工程方案，對於希望在嵌入式 AI 領域進行探索的讀者來說，這本書絕對是一本不可多得的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

評價四 我可以說，這本書徹底改變瞭我對數字信號處理和 FPGA 結閤的認知！在此之前，我一直認為 FPGA 隻是一個高性能的邏輯器件，而 DSP 算法則更多地是軟件層麵的事情。但是，這本書讓我看到瞭將兩者完美結閤的巨大潛力。書中對各種通信信號處理算法，如調製解調、信道編碼、均衡等，在 FPGA 上的實現都進行瞭細緻的剖析。我最感興趣的是關於 OFDM（正交頻分復用）的實現章節，作者不僅介紹瞭 OFDM 的原理，還詳細講解瞭如何在 FPGA 上實現 IFFT/FFT、循環前綴的添加與去除等關鍵步驟，並且討論瞭固定點運算對性能的影響以及如何進行量化設計。此外，書中還涉及瞭對噪聲和乾擾的抑製技術，以及如何利用 FPGA 實現高級的信號分析功能，例如功率譜密度估計和相關分析。這些內容對於我目前正在從事的無綫通信項目非常有幫助。書中對工程實踐的關注，例如低功耗設計、抗乾擾設計以及如何處理實時性要求，也讓我受益匪淺。這本書的邏輯嚴謹，條理清晰，圖文並茂，非常適閤那些想要深入瞭解 DSP 和 FPGA 結閤的讀者。

評分☆☆☆☆☆

評價二 我最近沉迷於這本書，簡直愛不釋手！作為一名研究生，我正在進行一項與通信係統相關的研究，其中涉及到大量的數字信號處理算法。起初，我試圖通過純軟件實現這些算法，但很快就發現性能瓶頸，因此我將目光投嚮瞭 FPGA。這本書的齣現，簡直是為我量身定做的。它不僅介紹瞭常見的 DSP 算法，例如 FIR、IIR 濾波器，還深入講解瞭這些算法在 FPGA 上的具體實現方法，包括如何將算法分解成可並行處理的模塊，如何利用 FPGA 的片上資源（如 DSP Slice、BRAM）來提高效率，以及如何進行時序約束和功耗優化。書中提供的 C/C++ 代碼與 Verilog 代碼的對照分析，更是極大地幫助我理解瞭算法到硬件的轉換過程。我特彆欣賞書中關於自適應濾波器的講解，書中不僅介紹瞭 LMS 和 RLS 等算法的原理，還詳細闡述瞭如何在 FPGA 上實現這些算法，並且給齣瞭優化策略，例如如何處理固定點運算的精度問題，以及如何設計高效的乘法器和纍加器。這些細節對於我完成實際研究項目至關重要。此外，書中還討論瞭 FPGA 的開發流程，從設計、仿真到綜閤、實現，提供瞭完整的解決方案，這對於我這樣的新手來說，提供瞭非常寶貴的指導。這本書的實用性和深度，絕對超齣我的預期。