數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)

內(nèi)容概要

　　杜勇等編著的這本《數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)》以Xilinx公司的FPGA器件為開發(fā)平臺(tái)，采用MATLAB及VHDL語言開發(fā)工具，詳細(xì)闡述了數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)原理、結(jié)構(gòu)、方法及仿真測(cè)試過程，并通過大量工程實(shí)例分析其在FPGA實(shí)現(xiàn)過程中的具體技術(shù)細(xì)節(jié)。其主要內(nèi)容包括FIR濾波器、IIR濾波器、多速率濾波器、自適應(yīng)濾波器、變換域?yàn)V波器、DPSK解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
　　《數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)》思路清晰、語言流暢、分析透徹，在簡(jiǎn)明闡述設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，追求對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)性，力求使讀者在較短的時(shí)間內(nèi)掌握數(shù)字濾波器的FPGA設(shè)計(jì)知識(shí)和技能。
　　本書適合于從事無線通信和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工程師、科研人員，以及相關(guān)專業(yè)的研究生、高年級(jí)本科生使用。

書籍目錄

第1章 數(shù)字濾波器及FPGA概述
　1.1 濾波器概述
　　1.1.1 濾波器簡(jiǎn)介
　　1.1.2 數(shù)字濾波器的分類
　　1.1.3 濾波器的特征參數(shù)
　1.2 FPGA基本知識(shí)
　　1.2.1 FPGA的基本概念及發(fā)展歷程
　　1.2.2 FPGA的結(jié)構(gòu)和工作原理
　　1.2.3 IP核的概念
　1.3 FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用
　1.4 Xilinx器件簡(jiǎn)介
　　1.4.1 Spartan系列器件
　　1.4.2 Virtex系列器件
　　1.4.3 PROM芯片介紹
　1.5 小結(jié)
第2章 設(shè)計(jì)語言及環(huán)境介紹
　2.1 VHDL語言簡(jiǎn)介
　　2.1.1 HDL語言
　　2.1.2 VHDL語言
　2.2 FPGA開發(fā)工具及設(shè)計(jì)流程
　　2.2.1 ISE開發(fā)套件
　　2.2.2 Modelsim仿真軟件
　　2.2.3 Synplicity綜合軟件
　　2.2.4 FPGA設(shè)計(jì)流程
　2.3 MATLAB軟件
　　2.3.1 MATLAB軟件簡(jiǎn)介
　　2.3.2 常用的信號(hào)處理函數(shù)
　　2.3.3 濾波器設(shè)計(jì)分析工具FDATOOL
　2.4 MATLAB與ISE的聯(lián)合應(yīng)用
　　2.4.1 MATLAB與ISE的數(shù)據(jù)交換
　　2.4.2 混頻器設(shè)計(jì)分析實(shí)例
　2.5 小結(jié)
第3章 FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)
　3.1 數(shù)的表示
　　3.1.1 萊布尼茨與二進(jìn)制
　　3.1.2 定點(diǎn)數(shù)表示
　　3.1.3 浮點(diǎn)數(shù)表示
　3.2 有限字長(zhǎng)效應(yīng)
　　3.2.1 字長(zhǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生因素
　　3.2.2 AD變換的字長(zhǎng)效應(yīng)
　　3.2.3 濾波器系數(shù)的字長(zhǎng)效應(yīng)
　　3.2.4 濾波器運(yùn)算中的字長(zhǎng)效應(yīng)
　3.3 FPGA的常用運(yùn)算模塊
　　3.3.1 加法器模塊
　　3.3.2 乘法器模塊
　　3.3.3 除法器模塊
　　3.3.4 CORDIC運(yùn)算模塊
　　3.3.5 浮點(diǎn)運(yùn)算模塊
　3.4 小結(jié)
第4章 FIR濾波器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　4.1 FIR濾波器的理論基礎(chǔ)
　　4.1.1 線性時(shí)不變系統(tǒng)
　　4.1.2 FIR濾波器的原理
　　4.1.3 FIR濾波器的特性
　　4.1.4 FIR濾波器的結(jié)構(gòu)形式
　4.2 FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法
　　4.2.1 窗函數(shù)法
　　4.2.2 頻率取樣法
　　4.2.3 最優(yōu)設(shè)計(jì)方法
　4.3 FIR濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)
　　4.3.1 采用fir1函數(shù)設(shè)計(jì)
　　4.3.2 采用kaiserord函數(shù)設(shè)計(jì)
　　4.3.3 采用fir2函數(shù)設(shè)計(jì)
　　4.3.4 采用firpm函數(shù)設(shè)計(jì)
　　4.3.5 采用FDATOOL工具設(shè)計(jì)
　4.4 FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　4.4.1 量化濾波器系數(shù)
　　4.4.2 串行結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　4.4.3 并行結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　4.4.4 分布式結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　4.4.5 不同結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比分析
　　4.4.6 采用FIR核實(shí)現(xiàn)
　4.5 小結(jié)
第5章 IIR濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)
　5.1 IIR濾波器的理論基礎(chǔ)
　　5.1.1 IIR濾波器的原理及特性
　　5.1.2 IIR濾波器的結(jié)構(gòu)形式
　　5.1.3 IIR與FIR濾波器的比較
　5.2 IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法
　　5.2.1 幾種典型的模擬濾波器
　　5.2.2 原型轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)法
　　5.2.3 直接設(shè)計(jì)法
　5.3 IIR濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)
　　5.3.1 采用butter函數(shù)設(shè)計(jì)
　　5.3.2 采用cheby1函數(shù)設(shè)計(jì)
　　5.3.3 采用cheby2函數(shù)設(shè)計(jì)
　　5.3.4 采用ellip函數(shù)設(shè)計(jì)
　　5.3.5 采用yulewalk函數(shù)設(shè)計(jì)
　　5.3.6 幾種設(shè)計(jì)函數(shù)的比較
　　5.3.7 采用FDATOOL工具設(shè)計(jì)
　5.4 IIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　5.4.1 量化直接型結(jié)構(gòu)的系數(shù)及運(yùn)算字長(zhǎng)
　　5.4.2 直接型結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　5.4.3 直接型結(jié)構(gòu)FPGA實(shí)現(xiàn)后的測(cè)試仿真
　　5.4.4 量化級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)的系數(shù)
　　5.4.5 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　5.4.6 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)FPGA實(shí)現(xiàn)后的測(cè)試仿真
　5.5 小結(jié)
第6章 多速率濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　6.1 多速率信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)
　　6.1.1 多速率信號(hào)處理的概念及作用
　　6.1.2 多速率信號(hào)處理的一般步驟
　　6.1.3 軟件無線電中的多速率處理
　6.2 抽取與內(nèi)插處理
　　6.2.1 整數(shù)倍抽取
　　6.2.2 整數(shù)倍內(nèi)插
　　6.2.3 比值為有理數(shù)的抽樣率轉(zhuǎn)換
　6.3 CIC濾波器
　　6.3.1 CIC濾波器的原理
　　6.3.2 CIC濾波器的應(yīng)用條件
　　6.3.3 單級(jí)CIC濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　6.3.4 多級(jí)CIC濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　6.3.5 CIC濾波器IP核的使用
　6.4 FIR半帶濾波器
　　6.4.1 半帶濾波器的原理
　　6.4.2 半帶濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)
　　6.4.3 多級(jí)半帶濾波器的設(shè)計(jì)
　　6.4.4 多級(jí)半帶濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　6.5 多相分解技術(shù)
　　6.5.1 多相分解技術(shù)的一般概念
　　6.5.2 整數(shù)倍抽取器的多相結(jié)構(gòu)
　　6.5.3 多相抽取器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　6.6 小結(jié)
第7章 自適應(yīng)濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　7.1 自適應(yīng)濾波器簡(jiǎn)介
　　7.1.1 自適應(yīng)濾波器的概念
　　7.1.2 自適應(yīng)濾波器的應(yīng)用
　　7.1.3 自適應(yīng)算法的一般原理
　7.2 LMS算法
　　7.2.1 LMS算法的原理
　　7.2.2 LMS算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
　　7.2.3 LMS算法的字長(zhǎng)效應(yīng)
　　7.2.4 符號(hào)LMS算法原理
　　7.2.5 LMS算法的MATLAB仿真
　7.3 自適應(yīng)線性濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　7.3.1 自適應(yīng)線性濾波器原理
　　7.3.2 利用線性濾波器實(shí)現(xiàn)通道失配校正
　　7.3.3 校正算法的 MATLAB仿真
　　7.3.4 校正算法的 VHDL實(shí)現(xiàn)
　　7.3.5 FPGA實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試
　7.4 自適應(yīng)均衡器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　7.4.1 自適應(yīng)均衡器原理
　　7.4.2 自適應(yīng)均衡器的MATLAB仿真
　　7.4.3 自適應(yīng)均衡器的VHDL實(shí)現(xiàn)
　　7.4.4 FPGA實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試
　7.5 智能天線陣的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　7.5.1 智能天線陣的概念及原理
　　7.5.2 自適應(yīng)直線陣的MATLAB仿真
　　7.5.3 自適應(yīng)天線陣的VHDL實(shí)現(xiàn)
　　7.5.4 FPGA實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試
　7.6 小結(jié)
第8章 變換域?yàn)V波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　8.1 變換域?yàn)V波器簡(jiǎn)介
　8.2 快速傅里葉變換
　　8.2.1 離散傅里葉變換
　　8.2.2 DFT存在的問題
　　8.2.3 FFT算法的基本思想
　　8.2.4 FFT算法的MATLAB仿真
　8.3 FFT核的使用
　　8.3.1 FFT核簡(jiǎn)介
　　8.3.2 FFT核的接口及時(shí)序
　8.4 頻域?yàn)V波器的原理及MATLAB仿真
　　8.4.1 抗窄帶干擾濾波器的原理
　　8.4.2 檢測(cè)門限的選取
　　8.4.3 頻域?yàn)V波器的MATLAB仿真
　8.5 頻域?yàn)V波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　8.5.1 FPGA實(shí)現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　8.5.2 速率變換模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　8.5.3 FFT及濾波設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　8.5.4 IFFT及數(shù)據(jù)輸出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　8.5.5 頂層文件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
　　8.5.6 FPGA實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試
　8.6 小結(jié)
第9章 DPSK解調(diào)系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　9.1 數(shù)字接收機(jī)的一般原理
　　9.1.1 通用數(shù)字接收機(jī)處理平臺(tái)
　　9.1.2 基本調(diào)制解調(diào)技術(shù)
　　9.1.3 改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)
　9.2 DPSK調(diào)制解調(diào)原理
　　9.2.1 DPSK調(diào)制原理及信號(hào)特征
　　9.2.2 DPSK信號(hào)的MATLAB仿真
　　9.2.3 DPSK解調(diào)原理
　9.3 DPSK解調(diào)參數(shù)設(shè)計(jì)
　　9.3.1 數(shù)字下變頻器設(shè)計(jì)
　　9.3.2 低通濾波器設(shè)計(jì)
　　9.3.3 數(shù)字鑒相器設(shè)計(jì)
　　9.3.4 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
　　9.3.5 載波同步環(huán)設(shè)計(jì)的一般步驟
　9.4 Costas環(huán)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　9.4.1 頂層模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)
　　9.4.2 鑒相器及環(huán)路濾波器的VHDL實(shí)現(xiàn)
　　9.4.3 Costas環(huán)實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試
　9.5 符號(hào)同步環(huán)的FPGA實(shí)現(xiàn)
　　9.5.1 符號(hào)同步環(huán)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
　　9.5.2 符號(hào)同步環(huán)的VHDL實(shí)現(xiàn)
　9.6 DPSK全系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)及測(cè)試
　　9.6.1 碼型變換的VHDL實(shí)現(xiàn)
　　9.6.2 DPSK解調(diào)全系統(tǒng)VHDL實(shí)現(xiàn)
　　9.6.3 系統(tǒng)的仿真測(cè)試
　9.7 小結(jié)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   具體到本書講解的仿真實(shí)例來說，前面章節(jié)對(duì)諸如FIR濾波器、多速率處理濾波器等設(shè)計(jì)的仿真其實(shí)都是一次性仿真，也就是說數(shù)據(jù)源及仿真過程都是一次性的，沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均等計(jì)算、處理、分析。在本節(jié)將要實(shí)現(xiàn)的LMS算法仿真中，為了對(duì)算法的收斂性能進(jìn)行更為準(zhǔn)確的測(cè)試，需要多次運(yùn)行仿真過程，通過對(duì)統(tǒng)計(jì)特性相同的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，并分析處理仿真結(jié)果來達(dá)到了解算法的收斂性能。 需要進(jìn)一步說明的是，由于需要對(duì)相同的算法重復(fù)進(jìn)行多次仿真運(yùn)算，Monte Carlo的運(yùn)算量會(huì)隨著仿真次數(shù)的增加而成倍增加，因此這種仿真方法主要是應(yīng)用MATLAB等工具軟件進(jìn)行理論分析。對(duì)于FPGA仿真來說，我們只需要驗(yàn)證FPGA實(shí)現(xiàn)后的程序工作是否正常，因此沒有必要在FPGA工程設(shè)計(jì)過程中采用Monte Carlo仿真方法。 2.算法仿真模型 輸入信號(hào)采用正弦信號(hào)與白噪聲信號(hào)的合成信號(hào)，即 x（n）=√2（n）+sqrt（10—SNR／10）j（n） （7—16） 式中，x（n）為輸入信號(hào)序列，s（n）為正弦信號(hào)，j（n）為均值為0、功率為1的高斯白噪聲信號(hào)，SNR為信噪比（單位為dB）。由于數(shù)字信號(hào)處理實(shí)際上是對(duì)數(shù)字信號(hào)序列進(jìn)行處理，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析，該仿真實(shí)例不涉及信號(hào)頻率、周期等參數(shù)。比如，s（n）僅看做正弦信號(hào)序列。 LMS算法的期望信號(hào)為s（n），也就是說LMS算法最終要求輸入信號(hào)收斂到正弦信號(hào)。初學(xué)者看到這里可能會(huì)發(fā)生幾個(gè)疑問：其一，為什么期望信號(hào)要取輸入信號(hào)中的正弦信號(hào)呢？既然期望信號(hào)本身就是算法收斂后的信號(hào)，既然所求的信號(hào)（本實(shí)例中等同于期望信號(hào)）能夠在事先就知道，還干嘛要通過LMS算法來獲取呢？其二，期望信號(hào)選取高斯白噪聲行不行？ 這兩個(gè)問題其實(shí)也是大多數(shù)初次接觸LMS算法時(shí)容易提出的問題。兩個(gè)問題的核心其實(shí)均是關(guān)于如何選擇期望信號(hào)的問題。關(guān)于第一個(gè)問題，相信讀者在閱讀完本章后續(xù)LMS算法的幾種FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)例后會(huì)得到清楚的答案；關(guān)于后一個(gè)問題，答案是肯定的，選擇白噪聲信號(hào)即可以構(gòu)成一個(gè)干擾抵消系統(tǒng)。不過需要注意的是，LMS算法過程中不能有延時(shí)，因?yàn)槎咚拱自肼暤淖韵嚓P(guān)函數(shù)是沖激函數(shù)，如果期望信號(hào)與輸入信號(hào)之間有時(shí)延，則沒有相關(guān)性了。 輸入信號(hào)是正弦信號(hào)與高斯白噪聲信號(hào)的疊加信號(hào)，為了得到更具一般性的仿真結(jié)論，我們采用Monte Carlo仿真方法來進(jìn)行仿真，也就是說依次進(jìn)行多次仿真，而后對(duì)算法收斂性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，這樣繪出的誤差信號(hào)曲線顯得更為平滑、更具普遍性。

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無

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