Xilinx FPGA数字信号处理设计 基础版 杜勇 编 网盘下载 pdf 免费 2025 在线 epub 电子版

本书以Xilinx公司的FPGA为开发平台，以Verilog HDL及MATLAB为开发工具，详细阐述数字信号处理技术FPGA实现的原理、结构、方法及仿真测试过程，并通过大量的实例分析FPGA实现过程中的具体技术细节。本书主要包括FPGA概述、设计语言及开发工具、FPGA设计流程、常用接口程序的设计、FPGA中的数字运算、典型IP核的应用、FIR滤波器设计、IIR滤波器设计、快速傅里叶变换的设计等内容。本书思路清晰、语言流畅、分析透彻，在简明阐述设计原理的基础上，重点追求对工程实践的指导性，力求使读者在较短的时间内掌握数字信号处理技术FPGA实现的知识和技能。

上篇基础篇

第1章FPGA概述3

1.1FPGA的发展趋势3

1.2FPGA的结构5

1.2.1可编程输入/输出单元（IOB）5

1.2.2可配置逻辑块（CLB）6

1.2.3数字时钟管理模块（DCM）7

1.2.4块RAM（BRAM）8

1.2.5布线资源8

1.2.6专用硬IP核8

1.3FPGA的工作原理9

1.4FPGA与其他处理平台的比较10

1.4.1ASIC、DSP、ARM的特点10

1.4.2FPGA的特点及优势11

1.5FPGA的主要厂商12

1.5.1Xilinx公司12

1.5.2Intel公司13

1.5.3Lattice公司13

1.5.4Actel公司14

1.5.5Atmel公司15

1.6如何选择FPGA15

1.7小结16

1.8思考与练习16

第2章设计语言及开发工具17

2.1VerilogHDL简介17

2.1.1HDL的特点及优势17

2.1.2选择VHDL还是Verilog18

2.1.3VerilogHDL的特点19

2.2VerilogHDL的基本语法20

2.2.1VerilogHDL的程序结构20

2.2.2数据类型及基本运算符23

2.2.3VerilogHDL的运算符优先级及VerilogHDL的关键词25

2.2.4赋值语句与块语句26

2.2.5条件语句和分支语句29

2.3常用的FPGA开发工具30

2.3.1ISE开发工具30

2.3.2ModelSim仿真软件32

2.4MATLAB软件34

2.4.1MATLAB的简介34

2.4.2MATLAB的工作界面35

2.4.3MATLAB的特点36

2.5FPGA数字信号处理板CXD30137

2.6小结39

2.7思考与练习39

第3章FPGA设计流程41

3.1FPGA设计流程概述41

3.2流水灯实例设计44

3.2.1明确项目需求44

3.2.2读懂电路原理图44

3.2.3形成设计方案46

3.3流水灯实例的VerilogHDL程序设计与综合47

3.3.1建立FPGA工程47

3.3.2VerilogHDL程序输入48

3.3.3程序综合及查看RTL原理图52

3.4流水灯实例的功能仿真54

3.4.1生成测试激励文件54

3.4.2采用ModelSim进行仿真55

3.4.3ModelSim的仿真应用技巧57

3.5流水灯实例的设计实现与时序仿真59

3.5.1添加约束文件59

3.5.2设计实现并查看分析报告60

3.5.3时序仿真61

3.6程序文件下载62

3.6.1bit文件下载62

3.6.2mcs文件下载64

3.7小结66

3.8思考与练习67

第4章常用接口程序的设计69

4.1秒表电路设计69

4.1.1数码管的基本工作原理69

4.1.2秒表电路实例需求及电路原理分析70

实例4-1：秒表电路设计70

4.1.3形成设计方案71

4.1.4顶层文件的VerilogHDL程序设计71

4.1.5数码管显示模块的VerilogHDL程序设计72

4.1.6秒表计数模块的VerilogHDL程序设计75

4.1.7按键消抖模块的VerilogHDL程序设计77

4.2串口通信设计79

4.2.1RS-232串口通信的概念79

4.2.2串口通信实例需求及电路原理分析81

实例4-2：串口通信电路设计81

4.2.3顶层文件的VerilogHDL程序设计81

4.2.4时钟模块的VerilogHDL程序设计82

4.2.5接收模块的VerilogHDL程序设计84

4.2.6发送模块的VerilogHDL程序设计86

4.3A/D接口和D/A接口的程序设计87

4.3.1A/D转换的工作原理87

4.3.2D/A转换的工作原理87

4.3.3A/D接口和D/A接口的实例需求及电路原理分析88

实例4-3：A/D接口和D/A接口电路设计88

4.3.4A/D接口和D/A接口的VerilogHDL程序设计89

4.4常用接口程序的板载测试90

4.4.1秒表电路的板载测试90

4.4.2串口通信的板载测试91

4.4.3通过ChipScope对A/D接口和D/A接口进行板载测试92

4.5小结99

4.6思考与练习100

下篇设计篇

第5章FPGA中的数字运算103

5.1数的表示103

5.1.1定点数的定义和表示104

5.1.2定点数的三种形式105

5.1.3浮点数的表示106

5.1.4自定义的浮点数格式108

5.2FPGA中的四则运算110

5.2.1两个操作数的加法运算110

实例5-1：在VerilogHDL中同时使用有符号数及无符号数进行运算111

5.2.2多个操作数的加法运算113

5.2.3采用移位相加法实现乘法运算113

5.2.4采用移位相加法实现除法运算114

5.3有效数据位的计算114

5.3.1有效数据位的概念114

5.3.2加法运算中的有效数据位115

5.3.3乘法运算中的有效数据位116

5.3.4乘加运算中的有效数据位117

5.4有限字长效应117

5.4.1有限字长效应的产生因素117

5.4.2A/D转换器的有限字长效应118

5.4.3数字滤波器系数的有限字长效应119

实例5-2：采用MATLAB仿真二阶数字滤波器的频率响应119

5.4.4滤波器运算中的有限字长效应121

实例5-3：采用MATLAB仿真一阶数字滤波器的输出响应122

5.5小结124

5.6思考与练习124

第6章典型IP核的应用127

6.1IP核在FPGA中的应用127

6.1.1IP核的一般概念127

6.1.2FPGA设计中的IP核类型128

6.1.3CMT与FPGA时钟树130

6.2时钟管理IP核131

6.2.1全局时钟资源131

6.2.2利用IP核生成多路时钟信号132

实例6-1：时钟管理IP核设计132

6.3乘法器IP核135

6.3.1实数乘法器IP核135

实例6-2：通过实数乘法器IP核实现实数乘法运算136

6.3.2复数乘法器IP核138

实例6-3：通过复数乘法器IP核实现复数乘法运算139

6.4除法器IP核141

6.4.1FPGA中的除法运算141

6.4.2测试除法器IP核142

实例6-4：通过除法器IP核实现除法运算142

6.5存储器IP核144

6.5.1ROM核144

实例6-5：通过ROM核产生正弦波信号144

6.5.2RAM核147

实例6-6：采用RAM核完成数据速率的转换147

6.6数控振荡器IP核152

6.6.1数控振荡器工作原理152

6.6.2采用DDS核设计扫频仪154

实例6-7：采用DDS核设计扫频仪154

6.7小结157

6.8思考与练习157

第7章FIR滤波器设计159

7.1数字滤波器的理论基础159

7.1.1数字滤波器的概念159

7.1.2数字滤波器的分类160

7.1.3滤波器的特征参数161

7.2FIR滤波器的原理162

7.2.1FIR滤波器的概念162

7.2.2线性相位系统的物理意义163

7.2.3FIR滤波器的相位特性164

7.2.4FIR滤波器的幅度特性166

7.3FIR滤波器的FPGA实现结构167

7.3.1滤波器结构的表示方法167

7.3.2直接型结构的FIR滤波器168

7.3.3级联型结构的FIR滤波器169

7.4基于累加器的FIR滤波器设计170

7.4.1基于累加器的FIR滤波器性能分析170

实例7-1：基于累加器的FIR滤波器的FPGA设计170

7.4.2基于累加器的FIR滤波器设计173

7.4.3基于累加器的FIR滤波器FPGA实现后的仿真174

7.5FIR滤波器的MATLAB设计177

7.5.1基于fir1()函数的FIR滤波器设计177

实例7-2：基于fir1()函数的FIR滤波器设计178

7.5.2各种窗函数性能的比较180

7.5.3各种窗函数性能的仿真181

实例7-3：通过MATLAB仿真由不同窗函数设计的FIR滤波器性能181

7.5.4基于firpm()函数的FIR滤波器设计183

实例7-4：采用firpm()函数设计FIR滤波器184

7.5.5基于FDATOOL的FIR滤波器设计185

实例7-5：使用FDATOOL设计带通FIR滤波器186

7.6FIR滤波器系数的量化方法187

实例7-6：利用MATLAB设计低通FIR滤波器并进行系数量化187

7.7并行结构FIR滤波器的FPGA实现189

7.7.1并行结构FIR滤波器的VerilogHDL设计189

实例7-7：采用并行结构设计15阶FIR滤波器189

7.7.2并行结构FIR滤波器的功能仿真192

7.8串行结构FIR滤波器的FPGA实现193

7.8.1两种串行结构原理193

7.8.2全串行结构FIR滤波器的VerilogHDL设计194

实例7-8：采用全串行结构设计15阶FIR滤波器194

7.8.3串行结构FIR滤波器的功能仿真198

7.9基于FIR核的FIR滤波器设计200

7.9.1FIR滤波器系数文件（COE文件）的生成200

实例7-9：采用FIRCompilerv5.0核设计61阶低通FIR滤波器201

7.9.2基于FIR核的FIR滤波器设计步骤203

7.9.3基于FIR核的FIR滤波器功能仿真206

7.10FIR滤波器的板载测试207

7.10.1硬件接口电路207

实例7-10：FIR滤波器的CXD301板载测试207

7.10.2板载测试程序207

7.10.3板载测试验证211

7.11小结212

7.12思考与练习213

第8章IIR滤波器设计215

8.1IIR滤波器的理论基础215

8.1.1IIR滤波器的原理及特性215

8.1.2IIR滤波器常用的结构216

8.1.3IIR滤波器与FIR滤波器的比较219

8.2IIR滤波器的MATLAB设计220

8.2.1采用butter()函数设计IIR滤波器220

8.2.2采用cheby1()函数设计IIR滤波器221

8.2.3采用cheby2()函数设计IIR滤波器221

8.2.4采用ellip()函数设计IIR滤波器222

8.2.5采用yulewalk()函数设计IIR滤波器222

8.2.6几种IIR滤波器设计函数的比较223

实例8-1：采用不同IIR滤波器设计函数设计IIR滤波器并进行性能比较223

8.2.7采用FDATOOL设计IIR滤波器225

实例8-2：采用FDATOOL设计带通IIR滤波器225

8.3直接型结构IIR滤波器的FPGA实现226

8.3.1直接型结构IIR滤波器系数的量化方法226

8.3.2直接型结构IIR滤波器的有限字长效应228

实例8-3：仿真测试不同量化字长对滤波器性能的影响228

8.3.3直接型结构IIR滤波器的FPGA实现方法230

实例8-4：直接型结构IIR滤波器的FPGA设计230

8.3.4直接型结构IIR滤波器的VerilogHDL设计231

8.3.5MATLAB与ISE14.7的数据交互235

8.3.6在MATLAB中生成测试信号文件236

8.3.7测试激励文件中的文件IO功能239

8.3.8利用MATLAB分析输出信号的频谱241

8.4级联型结构IIR滤波器的FPGA实现242

实例8-5：级联型结构IIR滤波器的FPGA设计242

8.4.1滤波器系数的转换242

8.4.2级联型结构IIR滤波器的系数量化244

8.4.3级联型结构IIR滤波器的FPGA实现244

8.4.4级联型结构IIR滤波器的VerilogHDL设计245

8.4.5级联型结构IIR滤波器FPGA实现后的仿真247

8.5IIR滤波器的板载测试248

8.5.1硬件接口电路248

实例8-6：IIR滤波器的CXD301板载测试248

8.5.2板载测试程序249

8.5.3板载测试验证249

8.6小结251

8.7思考与练习251

第9章快速傅里叶变换的设计253

9.1FFT的原理253

9.1.1DFT的原理253

9.1.2DFT的运算过程255

9.1.3DFT运算中的几种常见问题256

9.1.4FFT算法的基本思想257

9.2FFT算法的MATLAB仿真258

9.2.1通过FFT测量模拟信号的频率258

实例9-1：利用FFT测量单频信号的频率258

9.2.2通过FFT测量模拟信号的幅度261

实例9-2：利用FFT测量2路频率叠加信号的幅度261

9.2.3频率分辨率与分辨不同频率的关系263

实例9-3：仿真FFT参数对分析信号频谱的影响263

9.3FFT核的使用267

9.3.1FFT核简介267

9.3.2FFT核的接口信号及时序268

9.4信号识别电路的FPGA设计270

9.4.1频率叠加信号的时域分析270

实例9-4：信号过零检测分析270

9.4.2信号识别电路的设计需求及参数分析272

实例9-5：信号识别电路的FGPA设计272

9.4.3信号识别电路的VerilogHDL设计273

9.4.4信号识别电路的ModelSim仿真276

9.5信号识别电路的板载测试279

9.5.1硬件接口电路279

实例9-6：信号识别电路的CXD301板载测试279

9.5.2板载测试的方案280

9.5.3顶层文件的设计281

9.5.4测试信号生成模块的设计283

9.5.5接收模块的设计285

9.5.6数据整理模块的设计286

9.5.7串口通信模块的设计287

9.5.8板载测试验证290

9.6小结294

9.7思考与练习294

参考文献295

杜勇，四川省广安市人，高级工程师、副教授，现任教于四川工商学院，居住于成都。1999年于湖南大学获电子工程专业学士学位，2005年于国防科技大学获信息与通信工程专业硕士学位。发表学术论文十余篇，出版《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》《数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现》《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现》《锁相环技术原理及FPGA实现》等多部著作。

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书籍介绍

本书以Xilinx公司的FPGA为开发平台，以Verilog HDL及MATLAB为开发工具，详细阐述数字信号处理技术FPGA实现的原理、结构、方法及仿真测试过程，并通过大量的实例分析FPGA实现过程中的具体技术细节。本书主要包括FPGA概述、设计语言及开发工具、FPGA设计流程、常用接口程序的设计、FPGA中的数字运算、典型IP核的应用、FIR滤波器设计、IIR滤波器设计、快速傅里叶变换的设计等内容。本书思路清晰、语言流畅、分析透彻，在简明阐述设计原理的基础上，重点追求对工程实践的指导性，力求使读者在较短的时间内掌握数字信号处理技术FPGA实现的知识和技能。