数字滤波器的MATLAB与FPGA实现

本书以xilinx公司的fpga器件为开发平台，采用matlab及vhdl作为语言开发工具，详细阐述了数字滤波器的实现原理、结构、方法及仿真测试过程，并通过大量工程实例分析其在fpga实现过程中的具体技术细节。其主要内容包括fir滤波器、iir滤波器、多速率滤波器、自适应滤波器、变换域滤波器、解调系统滤波器设计等。
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，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滤波器的fpga设计知识和技能。

杜勇，四川省广安市人，不错工程师。
1999年于湖南大学电子工程专业获学士学位，2005年于国防科学技术大学信息与通信工程专业获硕士学位。主要从事数字信号处理、无线通信以及FPGA应用技术研究。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》和《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现》等多部著作。

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
1.2FPGA基本知识5
1.2.1FPGA的基本概念及发展历程5
1.2.2FPGA的结构和工作原理7
1.2.3IP核的概念13
1.3FPGA在数字信号处理中的应用13
1.4Xilinx器件简介14
1.4.1Spartan系列器件16
1.4.2Virtex系列器件19
1.4.3PROM芯片介绍25
1.5小结26
第2章设计语言及环境介绍27
2.1VHDL语言简介28
2.1.1HDL语言28
2.1.2VHDL语言29
2.2FPGA开发工具及设计流程32
2.2.1ISE开发套件32
2.2.2ModelSim仿真软件36
2.2.3Synplicity综合软件38
2.2.4FPGA设计流程39
2.3MATLAB软件41
2.3.1MATLAB软件简介41
2.3.2常用的信号处理函数44
2.3.3滤波器设计分析工具FDATOOL51
2.4MATLAB与ISE的联合应用52
2.4.1MATLAB与ISE的数据交换52
2.4.2混频器设计分析实例53
2.5小结66
第3章FPGA实现数字信号处理基础67
3.1数的表示68
3.1.1莱布尼茨与二进制68
3.1.2定点数表示69
3.1.3浮点数表示71
3.2FPGA中数的运算74
3.2.1加/减法运算74
3.2.2乘法运算77
3.2.3除法运算78
3.2.4有效数据位的计算79
3.3有限字长效应82
3.3.1字长效应的产生因素82
3.3.2A/D变换的字长效应82
3.3.3滤波器系数的字长效应83
3.3.4滤波器运算中的字长效应85
3.4FPGA的常用运算模块86
3.4.1加法器模块86
3.4.2乘法器模块88
3.4.3除法器模块93
3.4.4CORDIC运算模块95
3.4.5浮点运算模块98
3.5小结100
第4章FIR滤波器的FPGA设计与实现101
4.1FIR滤波器的理论基础102
4.1.1线性时不变系统102
4.1.2FIR滤波器的原理104
4.1.3FIR滤波器的特性105
4.1.4FIR滤波器的结构形式109
4.2FIR滤波器的设计方法113
4.2.1窗函数法114
4.2.2频率取样法115
4.2.3最优设计方法116
4.3FIR滤波器的MATLAB设计117
4.3.1采用fir1函数设计117
4.3.2采用kaiserord函数设计122
4.3.3采用fir2函数设计123
4.3.4采用firpm函数设计124
4.3.5采用FDATOOL工具设计126
4.4FIR滤波器的FPGA实现128
4.4.1量化滤波器系数128
4.4.2串行结构的FPGA实现130
4.4.3并行结构的FPGA实现137
4.4.4分布式结构的FPGA实现139
4.4.5不同结构的性能对比分析144
4.4.6采用FIR核实现145
4.5小结150
第5章IIR滤波器的MATLAB与FPGA实现151
5.1IIR滤波器的理论基础152
5.1.1IIR滤波器的原理及特性152
5.1.2IIR滤波器的结构形式152
5.1.3IIR与FIR滤波器的比较154
5.2IIR滤波器的设计方法155
5.2.1几种典型的模拟滤波器155
5.2.2原型转换设计法158
5.2.3直接设计法159
5.3IIR滤波器的MATLAB设计159
5.3.1采用butter函数设计160
5.3.2采用cheby1函数设计160
5.3.3采用cheby2函数设计161
5.3.4采用ellip函数设计161
5.3.5采用yulewalk函数设计162
5.3.6几种设计函数的比较162
5.3.7采用FDATOOL工具设计164
5.4IIR滤波器的FPGA实现165
5.4.1量化直接型结构的系数及运算字长165
5.4.2直接型结构的FPGA实现169
5.4.3直接型结构FPGA实现后的测试仿真175
5.4.4量化级联型结构的系数179
5.4.5级联型结构的FPGA实现180
5.4.6级联型结构FPGA实现后的测试仿真185
5.5小结186
第6章多速率滤波器的FPGA实现187
6.1多速率信号处理基础知识188
6.1.1多速率信号处理的概念及作用188
6.1.2多速率信号处理的一般步骤189
6.1.3软件无线电中的多速率处理189
6.2抽取与内插处理191
6.2.1整数倍抽取191
6.2.2整数倍内插192
6.2.3比值为有理数的抽样率转换195
6.3CIC滤波器195
6.3.1CIC滤波器的原理195
6.3.2CIC滤波器的应用条件198
6.3.3单级CIC滤波器的FPGA实现199
6.3.4多级CIC滤波器的FPGA实现201
6.3.5CIC滤波器IP核的使用208
6.4FIR半带滤波器211
6.4.1半带滤波器的原理211
6.4.2半带滤波器的MATLAB设计212
6.4.3多级半带滤波器的设计214
6.4.4多级半带滤波器的FPGA实现216
6.5多相分解技术222
6.5.1多相分解技术的一般概念222
6.5.2整数倍抽取器的多相结构223
6.5.3多相抽取器的FPGA实现225
6.6小结227
第7章自适应滤波器的FPGA实现229
7.1自适应滤波器简介230
7.1.1自适应滤波器的概念230
7.1.2自适应滤波器的应用231
7.1.3自适应算法的一般原理233
7.2LMS算法235
7.2.1LMS算法的原理235
7.2.2LMS算法的实现结构235
7.2.3LMS算法的字长效应236
7.2.4符号LMS算法原理238
7.2.5LMS算法的MATLAB仿真238
7.3自适应线性滤波器的FPGA实现243
7.3.1自适应线性滤波器原理243
7.3.2利用线性滤波器实现通道失配校正243
7.3.3校正算法的MATLAB仿真244
7.3.4校正算法的VHDL实现246
7.3.5FPGA实现后的仿真测试249
7.4自适应均衡器的FPGA实现251
7.4.1自适应均衡器原理251
7.4.2自适应均衡器的MATLAB仿真252
7.4.3自适应均衡器的VHDL实现254
7.4.4FPGA实现后的仿真测试259
7.5智能天线阵的FPGA实现260
7.5.1智能天线阵的概念及原理260
7.5.2自适应天线阵的MATLAB仿真262
7.5.3自适应天线阵的VHDL实现264
7.5.4FPGA实现后的仿真测试267
7.6自适应陷波器的FPGA实现267
7.6.1自适应陷波器原理267
7.6.2自适应陷波器的MATLAB仿真269
7.6.3自适应陷波器的VHDL实现271
7.6.4FPGA实现后的仿真测试274
7.7小结275
第8章变换域滤波器的FPGA实现277
8.1变换域滤波器简介278
8.2快速傅里叶变换278
8.2.1离散傅里叶变换278
8.2.2DFT存在的问题280
8.2.3FFT算法的基本思想281
8.2.4FFT算法的MATLAB仿真282
8.3FFT核的使用284
8.3.1FFT核简介284
8.3.2FFT核的接口及时序285
8.4频域滤波器的原理及MATLAB仿真287
8.4.1抗窄带干扰滤波器的原理287
8.4.2检测门限的选取288
8.4.3频域滤波器的MATLAB仿真289
8.5频域滤波器的FPGA实现291
8.5.1FPGA实现的总体结构设计291
8.5.2速率变换模块的设计与实现293
8.5.3FFT及滤波设计与实现297
8.5.4IFFT及数据输出设计与实现302
8.5.5顶层文件设计及实现306
8.5.6FPGA实现后的仿真测试308
8.6小结309
第9章解调系统滤波器的FPGA实现311
9.1数字接收机的一般原理312
9.1.1通用数字接收机处理平台312
9.1.2基本调制解调技术313
9.1.3改进的数字调制解调技术315
9.2DPSK调制解调原理316
9.2.1DPSK调制原理及信号特征316
9.2.2DPSK信号的MATLAB仿真317
9.2.3DPSK解调原理320
9.3DPSK解调参数设计322
9.3.1数字下变频器设计323
9.3.2低通滤波器设计324
9.3.3数字鉴相器设计325
9.3.4环路滤波器设计325
9.3.5载波同步环设计的一般步骤328
9.4Costas环的FPGA实现329
9.4.1顶层模块的VHDL实现329
9.4.2鉴相器及环路滤波器的VHDL实现331
9.4.3Costas环实现后的仿真测试333
9.5小结334
参考文献335