Intel FPGA數(shù)字信號處理設(shè)計（基礎(chǔ)版）

目　　錄
上　篇
第1章　FPGA概述 （3）
1.1　FPGA的發(fā)展趨勢 （3）
1.2　Intel FPGA的基本結(jié)構(gòu) （5）
1.2.1　可編程輸入/輸出單元 （6）
1.2.2　可配置邏輯塊 （7）
1.2.3　時鐘網(wǎng)絡(luò)資源 （9）
1.2.4　嵌入式塊RAM （9）
1.2.5　豐富的布線資源 （10）
1.2.6　內(nèi)嵌專用硬核 （10）
1.3　FPGA的工作原理 （10）
1.4　FPGA與其他數(shù)字信號處理平臺的比較 （11）
1.4.1　ASIC、DSP、ARM的特點 （12）
1.4.2　FPGA的特點及優(yōu)勢 （13）
1.5　FPGA的主要廠商 （14）
1.5.1　Xilinx公司 （14）
1.5.2　Intel公司 （15）
1.5.3　Lattice公司 （15）
1.5.4　Actel公司 （16）
1.5.5　Atmel公司 （17）
1.6　工程中如何選擇FPGA器件 （17）
1.7　小結(jié) （18）
1.8　思考與練習(xí) （19）
第2章　設(shè)計語言及開發(fā)環(huán)境 （21）
2.1　VHDL語言簡介 （21）
2.1.1　HDL語言的特點及優(yōu)勢 （21）
2.1.2　選擇VHDL還是Verilog HDL （22）
2.2　VHDL語言基礎(chǔ) （23）
2.2.1　VHDL語言簡介 （23）
2.2.2　程序結(jié)構(gòu) （24）
2.2.3　數(shù)據(jù)類型 （26）
2.2.4　數(shù)據(jù)對象 （29）
2.2.5　運算符 （29）
2.2.6　VHDL語句 （33）
2.3　QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境 （37）
2.3.1　QuartusⅡ簡介 （37）
2.3.2　QuartusⅡ的用戶界面 （38）
2.4　ModelSim簡介 （40）
2.4.1　ModelSim的主要特點 （40）
2.4.2　ModelSim的工作界面 （41）
2.5　MATLAB簡介 （42）
2.5.1　MATLAB介紹 （42）
2.5.2　MATLAB的工作界面 （42）
2.5.3　MATLAB的特點及優(yōu)勢 （43）
2.6　FPGA信號處理板CRD500 （45）
2.7　小結(jié) （47）
2.8　思考與練習(xí) （47）
第3章　FPGA設(shè)計流程 （51）
3.1　FPGA設(shè)計流程簡介 （51）
3.2　流水燈實例設(shè)計 （53）
3.2.1　明確項目需求 （53）
3.2.2　讀懂電路原理圖 （54）
3.2.3　形成設(shè)計方案 （56）
3.3　流水燈實例的Verilog HDL程序設(shè)計與綜合 （57）
3.3.1　建立FPGA工程 （57）
3.3.2　VHDL程序輸入 （59）
3.4　流水燈實例的功能仿真 （61）
3.4.1　生成測試激勵文件 （61）
3.4.2　采用ModelSim進行仿真 （64）
3.4.3　ModelSim的仿真應(yīng)用技巧 （67）
3.5　流水燈實例的設(shè)計實現(xiàn)與時序仿真 （68）
3.5.1　添加約束文件 （68）
3.5.2　時序仿真 （70）
3.6　程序下載 （71）
3.6.1　sof文件下載 （71）
3.6.2　jic文件下載 （73）
3.7　小結(jié) （75）
3.8　思考與練習(xí) （76）

第4章　常用接口程序的設(shè)計 （77）
4.1　秒表電路設(shè)計 （77）
4.1.1　數(shù)碼管的基本工作原理 （77）
4.1.2　秒表電路實例需求及電路原理分析 （78）
4.1.3　形成設(shè)計方案 （78）
4.1.4　頂層文件的VHDL程序設(shè)計 （79）
4.1.5　數(shù)碼管顯示模塊的VHDL程序設(shè)計 （81）
4.1.6　秒表計數(shù)模塊的VHDL程序設(shè)計 （84）
4.1.7　按鍵消抖模塊的VHDL程序設(shè)計 （88）
4.2　串口通信設(shè)計 （91）
4.2.1　RS-232串口通信的概念 （91）
4.2.2　串口通信實例需求及電路原理分析 （92）
4.2.3　頂層文件的VHDL程序設(shè)計 （93）
4.2.4　時鐘模塊的VHDL程序設(shè)計 （95）
4.2.5　接收模塊的VHDL程序設(shè)計 （96）
4.2.6　發(fā)送模塊的VHDL程序設(shè)計 （99）
4.3　A/D接口和D/A接口的程序設(shè)計 （100）
4.3.1　A/D轉(zhuǎn)換的工作原理 （100）
4.3.2　D/A轉(zhuǎn)換的工作原理 （101）
4.3.3　A/D接口和D/A接口的實例需求及電路原理分析 （102）
4.3.4　A/D接口和D/A接口的VHDL程序設(shè)計 （102）
4.4　常用接口程序的板載測試 （104）
4.4.1　秒表電路的板載測試 （104）
4.4.2　串口通信的板載測試 （105）
4.4.3　使用Signal Tap對A/D接口和D/A接口進行板載測試 （106）
4.5　小結(jié) （111）
4.6　思考與練習(xí) （111）
下　篇
第5章　FPGA中的數(shù)字運算 （115）
5.1　數(shù)的表示 （115）
5.1.1　定點數(shù)的定義和表示 （116）
5.1.2　定點數(shù)的三種形式 （117）
5.1.3　浮點數(shù)表示 （118）
5.1.4　自定義浮點數(shù)的格式 （120）
5.2　FPGA中的四則運算 （122）
5.2.1　兩個操作數(shù)的加法運算 （122）
5.2.2　多個操作數(shù)的加法運算 （125）
5.2.3　采用移位相加法實現(xiàn)乘法運算 （125）
5.2.4　采用移位相加法實現(xiàn)除法運算 （126）
5.3　有效數(shù)據(jù)位的計算 （126）
5.3.1　有效數(shù)據(jù)位的概念 （126）
5.3.2　加法運算中的有效數(shù)據(jù)位 （127）
5.3.3　乘法運算中的有效數(shù)據(jù)位 （128）
5.3.4　乘加運算中的有效數(shù)據(jù)位 （129）
5.4　有限字長效應(yīng) （129）
5.4.1　有限字長效應(yīng)的產(chǎn)生因素 （129）
5.4.2　A/D轉(zhuǎn)換器的有限字長效應(yīng) （130）
5.4.3　數(shù)字濾波器系數(shù)的有限字長效應(yīng) （131）
5.4.4　濾波器運算中的有限字長效應(yīng) （133）
5.5　小結(jié) （136）
5.6　思考與練習(xí) （136）
第6章　典型IP核的應(yīng)用 （137）
6.1　IP核在FPGA中的應(yīng)用 （137）
6.1.1　IP核的一般概念 （137）
6.1.2　FPGA設(shè)計中的IP核類型 （138）
6.2　時鐘管理IP核 （140）
6.2.1　全局時鐘資源 （140）
6.2.2　利用IP核生成多路時鐘信號 （141）
6.3　乘法器IP核 （145）
6.3.1　實數(shù)乘法器IP核 （145）
6.3.2　復(fù)數(shù)乘法器IP核 （148）
6.4　除法器IP核 （150）
6.4.1　FPGA中的除法運算 （150）
6.4.2　測試除法器IP核 （151）
6.5　存儲器IP核 （153）
6.5.1　ROM核 （153）
6.5.2　RAM核 （157）
6.6　數(shù)控振蕩器IP核 （163）
6.6.1　數(shù)控振蕩器工作原理 （163）
6.6.2　采用DDS核設(shè)計掃頻儀 （164）
6.7　小結(jié) （168）
6.8　思考與練習(xí) （169）
第7章　FIR濾波器設(shè)計 （171）
7.1　數(shù)字濾波器的理論基礎(chǔ) （171）
7.1.1　數(shù)字濾波器的概念 （171）
7.1.2　數(shù)字濾波器的分類 （172）
7.1.3　數(shù)字濾波器的特征參數(shù) （173）
7.2　FIR濾波器的原理 （174）
7.2.1　FIR濾波器的概念 （174）
7.2.2　線性相位系統(tǒng)的物理意義 （175）
7.2.3　FIR濾波器的相位特性 （176）
7.2.4　FIR濾波器的幅度特性 （178）
7.3　FIR濾波器的FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu) （179）
7.3.1　FIR濾波器結(jié)構(gòu)的表示方法 （179）
7.3.2　直接型結(jié)構(gòu)的FIR濾波器 （180）
7.3.3　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)的FIR濾波器 （181）
7.4　基于累加器的FIR濾波器設(shè)計 （181）
7.4.1　基于累加器的FIR濾波器性能分析 （181）
7.4.2　基于累加器的FIR濾波器設(shè)計步驟 （184）
7.4.3　基于累加器的FIR濾波器FPGA實現(xiàn)后的功能仿真 （186）
7.5　FIR濾波器的MATLAB設(shè)計 （190）
7.5.1　基于fir1()函數(shù)的FIR濾波器設(shè)計 （190）
7.5.2　各種窗函數(shù)性能的比較 （193）
7.5.3　各種窗函數(shù)性能的仿真 （194）
7.5.4　基于firpm()函數(shù)的FIR濾波器設(shè)計 （196）
7.5.5　基于FDATOOL的FIR濾波器設(shè)計 （198）
7.6　FIR濾波器的系數(shù)量化方法 （200）
7.7　并行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的FPGA實現(xiàn) （202）
7.7.1　并行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的VHDL設(shè)計 （202）
7.7.2　并行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的功能仿真 （206）
7.8　串行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的FPGA實現(xiàn) （207）
7.8.1　兩種串行結(jié)構(gòu)原理 （207）
7.8.2　全串行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的VHDL設(shè)計 （208）
7.8.3　全串行結(jié)構(gòu)FIR濾波器的功能仿真 （212）
7.9　基于FIR核的FIR濾波器設(shè)計 （215）
7.9.1　FIR濾波器系數(shù)文件（COE文件）的生成 （215）
7.9.2　基于FIR核的FIR濾波器的設(shè)計步驟 （217）
7.9.3　基于FIR核的FIR濾波器的功能仿真 （219）
7.10　FIR濾波器的板載測試 （220）
7.10.1　硬件接口電路 （220）
7.10.2　板載測試程序 （221）
7.10.3　板載測試驗證 （224）
7.11　小結(jié) （225）
7.12　思考與練習(xí) （226）
第8章　IIR濾波器設(shè)計 （227）
8.1　IIR濾波器的理論基礎(chǔ) （227）
8.1.1　IIR濾波器的原理及特性 （227）
8.1.2　IIR濾波器的常用結(jié)構(gòu) （228）
8.1.3　IIR濾波器與FIR濾波器的比較 （231）
8.2　IIR濾波器的MATLAB設(shè)計 （232）
8.2.1　采用butter()函數(shù)設(shè)計IIR濾波器 （232）
8.2.2　采用cheby1()函數(shù)設(shè)計IIR濾波器 （233）
8.2.3　采用cheby2()函數(shù)設(shè)計IIR濾波器 （233）
8.2.4　采用ellip()函數(shù)設(shè)計IIR濾波器 （234）
8.2.5　采用yulewalk()函數(shù)設(shè)計IIR濾波器 （234）
8.2.6　幾種IIR濾波器設(shè)計函數(shù)的比較 （235）
8.2.7　采用FDATOOL設(shè)計IIR濾波器 （237）
8.3　直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的FPGA實現(xiàn) （238）
8.3.1　直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的系數(shù)量化方法 （238）
8.3.2　直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的有限字長效應(yīng) （240）
8.3.3　直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的FPGA實現(xiàn)方法 （242）
8.3.4　直接型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的VHDL設(shè)計 （243）
8.3.5　MATLAB與QuartusⅡ13.1的數(shù)據(jù)交互 （248）
8.3.6　在MATLAB中生成測試信號文件 （249）
8.3.7　測試激勵文件中的文件I/O功能 （252）
8.3.8　利用MATLAB分析輸出信號的頻譜 （255）
8.4　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的FPGA實現(xiàn) （256）
8.4.1　濾波器系數(shù)的轉(zhuǎn)換 （256）
8.4.2　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的系數(shù)量化 （258）
8.4.3　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的FPGA實現(xiàn) （258）
8.4.4　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)IIR濾波器的VHDL設(shè)計 （259）
8.4.5　級聯(lián)型結(jié)構(gòu)IIR濾波器FPGA實現(xiàn)后的仿真 （262）
8.5　IIR濾波器的板載測試 （263）
8.5.1　硬件接口電路 （263）
8.5.2　板載測試程序 （264）
8.5.3