基于 FPGA 的信号处理系统实现，第 2 版

Allure

描述

% h+ D! z0 p7 V/ O参与信号处理系统设计、开发和实施的工程师和研究人员的重要工作资源
1 J7 f" Q# `( J0 X
+ f: C' I3 S3 }3 s, U在过去十年中，现场可编程门阵列 (FPGA) 的使用迅速扩展到传统数字信号处理 (DSP) 系统之外的广泛应用中。由在 FPGA 研发前沿工作的专家团队撰写，这是第二版基于 FPGA 的信号处理系统实现已经过广泛更新和修订，以反映 FPGA 理论、应用和技术的最新迭代。它从系统级的角度编写，对使用可编程 FPGA 硬件设计、优化和实现 DSP 系统的当代方法和工具进行了专家讨论。并且它提供了丰富的实践见解——连同说明性案例研究和及时的现实世界示例——对于从事无线电、电信、视听和安全应用的 DSP 系统设计和开发工作的工程师来说，这些都是至关重要的。如生物信息学、大数据应用等。在里面你会发现最新的报道：

适用于大数据应用的 FPGA 解决方案，尤其适用于大型数据集
. H5 T. a7 }: G. S9 A  `ARM 处理器在 FPGA 中的使用以及 FPGA 向异构计算平台的转移
高级综合工具的演变——包括有关 Xilinx 的 HLS Vivado 工具流程和 Altera 的 OpenCL 方法的新部分
9 n, v& H) k, u8 \7 d, V2 e2 [5 V图形处理单元 (GPU) 的发展，正在迅速取代更传统的 DSP 系统
基于 FPGA 的信号处理系统实现，第 2 版是参与传统和尖端数据和信号处理系统设计和开发的工程师和研究人员不可或缺的指南。学习信号处理或数字信号处理的高级电气和计算机工程专业的毕业生也会对这本书很感兴趣。
% |: ?( r8 Y0 x! G& G3 W
$ x( ~" ^' t1 |- I+ Q9 m关于作者
8 [! s- P6 j4 W% ]Roger Woods 是英国北爱尔兰贝尔法斯特女王大学电子和计算机工程集群的正教授和研究主任。
9 j0 A( |3 R/ k! i* @( o; kJohn McAllister 是英国北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的学者。
+ Q1 Q9 ?3 @( C& s! L0 KGaye Lightbody 是英国北爱尔兰阿尔斯特大学计算与数学学院的讲师。
Ying Yi 目前是 SN Systems 的高级软件工程师，SN Systems 是英国索尼互动娱乐公司的全资子公司。

权限
- m3 |7 H; M: P& \0 s3 Z! q请求重用本网站内容的许可
9 a& o, {+ J0 d* ^- s# b6 ~
目录
, Y7 i5 o9 f* T+ d前言十五
& a) s7 H+ F  y' U" o8 V, Z: t
; p* K8 Q4 }1 e缩写词列表 xxi

1 现场可编程门阵列简介 1

$ j! W+ ]2 p7 H  T; ]1 L7 S( o1.1 简介 1
1.2 现场可编程门阵列 2
5 k; a( G+ V' C/ e1 l0 b1.3 可编程性的影响 6
1.4 FPGA 的挑战 8
1 x6 w6 T5 p6 V" z) Z' K, j/ k
参考书目 9

2 DSP 基础知识 11
6 ]+ Z' |9 @( l" ?( t/ P6 C
: ?- f: p2 d* ]2 x6 j2.1 简介 11
$ r5 m" J( I; z2.2 DSP 系统的定义 12
2.3 DSP 转换 16
2 V9 v0 H/ M) q6 x; h+ p2 B2.4 过滤器 20
' `1 T4 y: a4 Z% b2.5 自适应过滤 29
2.6 最终意见 38

% N/ Y, q8 J. p+ {  Y3 Q! K# \参考书目 38

7 P$ a( C% ^+ H1 [' y) t3 算术基础 41
9 Y; w6 H% I' E9 X8 L
3 ], t; u+ ^9 l/ S' p3.1 简介 41
3.2 数字表示 42
3.3 算术运算 47
3.4 替代数字表示法 55
& b) v2 X  A/ v3.5 59 项
0 k) U  X' l" g$ ~2 f, D3.6 平方根 60
3.7 定点与浮点 64
! s8 w# ?; Y; d- g' j3.8 结论 66
" v2 I$ S! S% n4 r: {
参考书目 67

4 技术评论 70

4.1 简介 70
; Y. ~9 B8 V4 R- O$ s4 U  X: B4.2 技术扩展的影响 71
! n4 J  N7 ^- y) @% L( a, S! U4.3 架构和可编程性 72
4.4 DSP 功能特性 74
4.5 微处理器 76
) H4 [( j* g( X  l4.6 DSP 处理器 82
4.7 图形处理单元 86
4.8 片上系统解决方案 88
9 }: I# j  e8 p! X3 U9 r' b4.9 异构计算平台 91
8 z( o% ?  T; R+ a% ^/ P; |2 l4.10 结论 92

  e" I" a  U$ G7 i) y参考书目 92

5 当前的 FPGA 技术 94
) |  p$ S& X0 S. u% X/ Z7 s4 _
5.1 介绍 94
1 I5 y1 }$ J' e% I& m5.2 面向 FPGA 95
5.3 Altera Stratix® V 和 10 FPGA 系列 98
# \/ ~- d* t  a4 q9 h1 `- w5.4 Xilinx UltrascaleTM/Virtex-7 FPGA 系列 103
2 H7 x+ f1 i, {) w5.5 赛灵思 Zynq FPGA 系列 107
5.6 莱迪思 iCE40isp FPGA 系列 108
5.7 MicroSemi RTG4 FPGA 系列 111
( e$ N* E# d9 E5.8 基于 FPGA 的 DSP 系统的设计策略 112
5.9 结论 114
+ w+ o, `6 D6 c) V
参考书目 114

3 {5 D- V' ?) W+ x8 q' c6 详细的 FPGA 实现技术 116

. {  |" ]- t0 x9 D  t$ V0 |4 l6.1 引言 116
  L( q( g" h0 M4 \3 S5 `+ t$ y6.2 FPGA 功能 117
6.3 映射到基于 LUT 的 FPGA 技术 123
6.4 固定系数 DSP 125
) m" H1 L3 ^% [' H$ R6.5 分布式算术130
6.6 缩减系数乘法器 133
; c8 v$ M- ^; O$ O. ^5 l# k0 Z6.7 结论 137
  |5 [; g  [3 }4 n
; c( Z. [) e# r7 ^参考书目 138
- _' k- `! u( g2 [  e3 P+ l. U; h
7 种用于 FPGA 的综合工具 140

7.1 引言 140
4 N5 ]- ~) u/ ?! ^9 W7.2 高级综合141
* w$ P  J& L! m+ V8 s2 ]" O6 y7.3 赛灵思 Vivado 143
7.4 控制逻辑提取阶段示例 144
7.5 用于 OpenCL 145 的 Altera SDK
7.6 其他 HLS 工具 147
7.7 结论 150
3 a/ m+ {- ?9 o8 D. [$ j# e
8 a& W8 G: |% Z' u% t8 \参考书目 150
. X/ D$ b" ~  L( S
8 基于 FPGA 的 DSP 系统的架构推导 152

8.1 引言 152
8.2 DSP算法特点153
8.3 DSP 算法表示 157
8.4 流水线 DSP 系统 160
( `0 J8 e, M9 h4 R$ s7 G8.5 并联运行 170
8.6 结论 178
/ g7 p3 p5 q( \- `# D( l
参考书目 179

' E' H6 v% B, ^7 w0 f9 FPGA 180 的复杂 DSP 内核设计
: z! M2 o- j) }3 O; J/ `6 A
. J+ Z4 N9 w5 L. k" _5 ]* H9.1 介绍 180
. O' ]) r7 n! D! D9.2 再利用设计的动机 181
5 A" K4 h# F  i7 Y9.3 知识产权核心 182
9.4 IP 核的演进 184
4 j4 V" f! |- d9.5 可参数化（软）IP 核 187
9.6 IP核集成195
9.7 当前基于 FPGA 的 IP 核 197
8 _+ ~0 i% U: L5 ?7 B1 V9.8 水印IP 198
9.9 总结 198
( e+ `4 u: s! a- q2 d
参考书目 199
1 G4 |, z% L* b- d6 B
" L, x7 O# s) G! ^5 \3 M10 基于高级模型的 FPGA 加速器设计 200
5 }; @1 g2 l. ]% X" ]
10.1 引言 200
10.2 DSP 系统的数据流建模 201
10.3 DFG 204 定制电路加速器的架构综合
& k: y3 X" n6 Z5 B$ V3 |10.4 基于模型的多通道数据流加速器开发 205
10.5 基于模型的内存密集型加速器开发 219
7 _1 j3 O% ^9 V5 t# N. O10.6 总结 223
" {) p7 U/ D, _; U
; h. ]8 s$ U/ L# |参考文献 223
8 g4 z$ {% _  u, c5 \2 K( }
11 自适应波束成形器示例 225

. o" W# f8 h/ u+ w11.1 自适应波束成形简介226
11.2 通用设计过程 226
* d9 Y, s' r0 C1 \$ z11.3 架构算法231
11.4 高效的架构设计 235
11.5 通用二维码架构 240
# J4 ?4 }2 g$ C- A11.6 重定时通用架构 246
11.7 可参数化的 QR 架构 253
11.8 通用控制 266
11.9 波束成形器设计实例 269
11.10 总结 271

* M& d! O) x7 G) \/ V9 d+ _参考文献 271
& ^" t" f" B" b( H, z2 a2 x
12 大数据应用的 FPGA 解决方案 273
  L9 n. H5 ?3 u! g/ p* ?' O
, t1 e2 \. \2 j2 U& p; O12.1 引言 273
12.2 大数据 274
12.3 大数据分析 275
: [% h7 K+ b% Z- T2 `6 v; o12.4 加速度 280
* k( O/ y/ P) n- s$ l- s12.5 k-Means 聚类 FPGA 实现 283
5 A0 C6 R0 `5 X! O9 L9 L9 X12.6 基于 FPGA 的软处理器 286
: F5 M& c2 `; x/ V12.7 系统硬件 290
5 A6 V7 {. c7 \$ k# s# X12.8 结论 293
& `1 X* c. A0 K& B. N
参考书目 293

13 低功耗 FPGA 实现 296

13.1 引言 296
13.2 功耗来源 297
* h. E( F8 f0 k- G: U0 ]0 @' f: T5 m13.3 FPGA 功耗 300
) U$ b, e) r* G. k* s% E9 r13.4 功耗降低技巧302
9 E) y) _' o. l* g8 G13.5 FPGA 中的动态电压调节 303
13.6 降低开关电容 305
13.7 最终评论 316
% U8 s/ C2 I8 i
7 s/ ?& Q* J; u参考书目 317

2 K/ a' r5 o- H2 B' e& }4 s5 {& O4 N- n14 结论 319

4 u- T1 {* I8 _9 t( k! t14.1 介绍 319
14.2 FPGA 设计方法的演进 320
14.3 大数据和向计算 320 的转变
- O6 _6 d. Q3 i* ^0 ]4 y$ u, j2 \14.4 FPGA 的编程流程 321
6 ?# x" P7 a  `. v/ a7 K14.5 支持浮点运算 322
14.6 内存架构 322
- |- o0 z0 d. o, z
参考书目 323

索引 325

NNNei256

基于 FPGA 的信号处理系统实现