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第1章 数字滤波器及FPGA概述1

1.1 滤波器概述2

1.1.1 滤波器简介2

1.1.2 数字滤波器的分类3

1.1.3 滤波器的特征参数5

1.2 FPGA基本知识5

1.2.1 FPGA的基本概念及发展历程5

1.2.2 FPGA的结构和工作原理7

1.2.3 IP核的概念13

1.3 FPGA在数字信号处理中的应用13

1.4 Xilinx器件简介14

1.4.1 Spartan系列器件17

1.4.2 Virtex系列器件20

1.4.3 PROM芯片介绍26

1.5 FPGA信号处理板CXD30127

1.6 小结28

第2章 设计语言及环境介绍31

2.1 HDL语言简介32

2.1.1 HDL语言的特点及优势32

2.1.2 选择VHDL还是Verilog HDL33

2.2 VHDL语言基础34

2.2.1 程序结构35

2.2.2 数据类型37

2.2.3 数据对象40

2.2.4 运算符40

2.2.5 VHDL语句46

2.3 FPGA开发工具及设计流程51

2.3.1 ISE开发套件51

2.3.2 ModelSim仿真软件55

2.3.3 Synplicity综合软件57

2.3.4 FPGA设计流程58

2.4 MATLAB软件60

2.4.1 MATLAB软件简介60

2.4.2 常用的信号处理函数63

2.5 MATLAB与ISE的数据交换69

2.6 小结70

第3章 FPGA实现数字信号处理基础71

3.1 FPGA中数的表示72

3.1.1 莱布尼兹与二进制72

3.1.2 定点数表示73

3.1.3 浮点数表示74

3.2 FPGA中数的运算77

3.2.1 加／减法运算77

3.2.2 乘法运算80

3.2.3 除法运算83

3.2.4 有效数据位的计算83

3.3 有限字长效应86

3.3.1 字长效应的产生因素86

3.3.2 A/D变换的字长效应87

3.3.3 系统运算中的字长效应88

3.4 FPGA中的常用处理模块90

3.4.1 乘法器模块90

3.4.2 除法器模块95

3.4.3 浮点运算模块98

3.4.4 滤波器模块100

3.4.5 数字频率器模块102

3.5 小结104

第4章 FIR滤波器的FPGA设计与实现105

4.1 FIR滤波器的理论基础106

4.1.1 线性时不变系统106

4.1.2 FIR滤波器的原理108

4.1.3 FIR滤波器的特性109

4.1.4 FIR滤波器的结构形式113

4.2 FIR滤波器的设计方法117

4.2.1 窗函数法117

4.2.2 频率取样法119

4.2.3 最优设计方法120

4.3 FIR滤波器的MATLAB设计121

4.3.1 采用fir1函数设计121

4.3.2 采用kaiserord函数设计126

4.3.3 采用fir2函数设计127

4.3.4 采用firpm函数设计128

4.3.5 采用FDATOOL工具设计130

4.4 FIR滤波器的FPGA实现132

4.4.1 量化滤波器系数132

4.4.2 串行结构的FPGA实现134

4.4.3 并行结构的FPGA实现141

4.4.4 分布式结构的FPGA实现144

4.4.5 不同结构的性能对比分析149

4.4.6 采用FIR核实现150

4.5 FIR滤波器的板载测试155

4.5.1 硬件接口电路155

4.5.2 板载测试程序155

4.5.3 板载测试验证161

4.5 小结163

第5章 IIR滤波器的MATLAB与FPGA实现165

5.1 IIR滤波器的理论基础166

5.1.1 IIR滤波器的原理及特性166

5.1.2 IIR滤波器的结构形式166

5.1.3 IIR与FIR滤波器的比较169

5.2 IIR滤波器的设计方法170

5.2.1 几种典型的模拟滤波器170

5.2.2 原型转换设计法172

5.2.3 直接设计法173

5.3 IIR滤波器的MATLAB设计174

5.3.1 采用butter函数设计174

5.3.2 采用cheby1函数设计175

5.3.3 采用cheby2函数设计175

5.3.4 采用ellip函数设计176

5.3.5 采用yulewalk函数设计176

5.3.6 几种设计函数的比较177

5.3.7 采用FDATOOL工具设计179

5.4 IIR滤波器的FPGA实现180

5.4.1 量化直接型结构的系数及运算字长180

5.4.2 直接型结构的FPGA实现184

5.4.3 直接型结构FPGA实现后的测试仿真190

5.4.4 量化级联型结构的系数194

5.4.5 级联型结构的FPGA实现195

5.4.6 级联型结构FPGA实现后的测试仿真200

5.5 IIR滤波器的板载测试201

5.5.1 硬件接口电路201

5.5.2 板载测试程序202

5.5.3 板载测试验证205

5.6 小结206

第6章 多速率滤波器的FPGA实现207

6.1 多速率信号处理基础知识208

6.1.1 多速率信号处理的概念及作用208

6.1.2 多速率信号处理的一般步骤209

6.1.3 软件无线电中的多速率处理209

6.2 抽取与内插处理211

6.2.1 整数倍抽取211

6.2.2 整数倍内插213

6.2.3 比值为有理数的抽样率转换215

6.3 CIC滤波器215

6.3.1 CIC滤波器的原理215

6.3.2 CIC滤波器的应用条件218

6.3.3 单级CIC滤波器的FPGA实现219

6.3.4 多级CIC滤波器的FPGA实现221

6.3.5 CIC滤波器IP核的使用229

6.3.6 CIC滤波器的板载测试231

6.4 FIR半带滤波器236

6.4.1 半带滤波器的原理236

6.4.2 半带滤波器的MATLAB设计237

6.4.3 多级半带滤波器的设计239

6.4.4 多级半带滤波器的FPGA实现241

6.5 多相分解技术247

6.5.1 多相分解技术的一般概念247

6.5.2 整数倍抽取器的多相结构248

6.6 小结251

第7章 自适应滤波器的FPGA实现253

7.1 自适应滤波器简介254

7.1.1 自适应滤波器的概念254

7.1.2 自适应滤波器的应用255

7.1.3 自适应算法的一般原理257

7.2 LMS算法259

7.2.1 LMS算法的原理259

7.2.2 LMS算法的实现结构259

7.2.3 LMS算法的字长效应261

7.2.4 符号LMS算法原理262

7.2.5 LMS算法的MATLAB仿真263

7.3 自适应线性滤波器的FPGA实现267

7.3.1 自适应线性滤波器原理267

7.3.2 利用线性滤波器实现通道失配校正267

7.3.3 校正算法的MATLAB仿真269

7.3.4 校正算法的VHDL实现270

7.3.5 FPGA实现后的仿真测试274

7.4 自适应均衡器的FPGA实现276

7.4.1 自适应均衡器原理276

7.4.2 自适应均衡器的MATLAB仿真277

7.4.3 自适应均衡器的VHDL实现279

7.4.4 FPGA实现后的仿真测试284

7.5 智能天线阵的FPGA实现285

7.5.1 智能天线阵的概念及原理285

7.5.2 自适应天线阵的MATLAB仿真288

7.5.3 自适应天线阵的VHDL实现290

7.5.4 FPGA实现后的仿真测试293

7.6 自适应陷波器的FPGA实现293

7.6.1 自适应陷波器原理293

7.6.2 自适应陷波器的MATLAB仿真295

7.6.3 自适应陷波器的VHDL实现298

7.6.4 FPGA实现后的仿真测试301

7.7 自适应陷波器的板载测试302

7.7.1 硬件接口电路302

7.7.2 板载测试程序302

7.7.3 板载测试验证309

7.8 小结311

第8章 变换域滤波器的FPGA实现313

8.1 变换域滤波器简介314

8.2 快速傅里叶变换314

8.2.1 离散傅里叶变换314

8.2.2 DFT存在的问题316

8.2.3 FFT算法的基本思想317

8.2.4 FFT算法的MATLAB仿真318

8.3 FFT核的使用320

8.3.1 FFT核简介320

8.3.2 FFT核的接口及时序321

8.4 频域滤波器的原理及MATLAB仿真323

8.4.1 抗窄带干扰滤波器的原理323

8.4.2 检测门限的选取324

8.4.3 频域滤波器的MATLAB仿真325

8.5 频域滤波器的FPGA实现327

8.5.1 FPGA实现的总体结构设计327

8.5.2 速率变换模块的设计与实现329

8.5.3 FFT及滤波设计与实现334

8.5.4 IFFT及数据输出设计与实现339

8.5.5 顶层文件设计及实现343

8.5.6 FPGA实现后的仿真测试345

8.6 频域滤波器的板载测试346

8.6.1 硬件接口电路346

8.6.2 板载测试程序347

8.6.3 板载测试验证352

8.6 小结354

第9章 解调系统滤波器的FPGA实现355

9.1 数字接收机的一般原理356

9.1.1 通用数字接收机处理平台356

9.1.2 基本调制解调技术357

9.1.3 改进的数字调制解调技术359

9.2 DPSK调制解调原理360

9.2.1 DPSK调制原理及信号特征360

9.2.2 DPSK信号的MATLAB仿真361

9.2.3 DPSK解调原理364

9.3 DPSK解调参数设计366

9.3.1 数字下变频器设计367

9.3.2 低通滤波器设计368

9.3.3 数字鉴相器设计369

9.3.4 环路滤波器设计370

9.3.5 载波同步环设计的一般步骤372

9.4 Costas环的FPGA实现373

9.4.1 顶层模块的VHDL实现373

9.4.2 鉴相器及环路滤波器的VHDL实现376

9.4.3 Costas环实现后的仿真测试378

9.5 Costas环的板载实验379

9.5.1 硬件接口电路379

9.5.2 板载测试程序380

9.5.3 板载测试验证384

9.6 小结385

参考文献387