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第1章 数字滤波器及FPGA概述1

1.1 滤波器概述1

1.1.1 滤波器简介1

1.1.2 数字滤波器的分类3

1.1.3 滤波器的特征参数4

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14

1.4 Altera器件简介15

1.5 FPGA信号处理板CRD50017

1.5.1 CRD500简介17

1.5.2 CRD500的典型应用19

1.6 小结19

第2章 设计语言及环境介绍21

2.1 Verilog HDL语言简介21

2.1.1 HDL语言21

2.1.2 Verilog HDL简介和程序结构22

2.2 FPGA开发工具及设计流程25

2.2.1 Quartus II开发套件25

2.2.2 ModelSim仿真软件28

2.2.3 FPGA设计流程30

2.3 MATLAB软件32

2.3.1 MATLAB软件简介32

2.3.2 常用的信号处理函数35

2.3.3 滤波器设计分析工具FDATOOL42

2.4 MATLAB与Quartus II的联合应用43

2.5 小结44

第3章 FPGA实现数字信号处理基础45

3.1 数的表示45

3.1.1 莱布尼茨与二进制45

3.1.2 定点数表示法46

3.1.3 浮点数表示法48

3.2 FPGA中数的运算51

3.2.1 加／减法运算51

3.2.2 乘法运算54

3.2.3 除法运算55

3.2.4 有效数据位的计算55

3.3 有限字长效应58

3.3.1 字长效应的产生因素58

3.3.2 A/D转换的字长效应59

3.3.3 数字滤波器系数的字长效应60

3.3.4 滤波器运算中的字长效应61

3.4 FPGA的常用运算模块62

3.4.1 加法器模块62

3.4.2 乘法器模块64

3.4.3 除法器模块67

3.4.4 浮点数运算模块68

3.5 小结70

第4章 FIR滤波器的FPGA实现71

4.1 FIR滤波器的理论基础71

4.1.1 线性时不变系统71

4.1.2 FIR滤波器的原理74

4.1.3 FIR滤波器的特性74

4.1.4 FIR滤波器的结构形式78

4.2 FIR滤波器的设计方法83

4.2.1 窗函数法83

4.2.2 频率取样法85

4.2.3 最优设计方法85

4.3 FIR滤波器的MATLAB设计86

4.3.1 采用fir1函数设计86

4.3.2 采用kaiserord函数设计92

4.3.3 采用fir2函数设计93

4.3.4 采用firpm函数设计94

4.3.5 采用FDATOOL设计滤波器96

4.4 FIR滤波器的FPGA实现98

4.4.1 滤波器系数的量化98

4.4.2 串行FIR滤波器的FPGA实现100

4.4.3 并行FIR滤波器的FPGA实现107

4.4.4 分布式FIR滤波器的FPGA实现110

4.4.5 采用FIR核实现112

4.4.6 不同结构FIR滤波器的性能对比分析115

4.5 FIR滤波器的板载测试116

4.5.1 硬件接口电路116

4.5.2 板载测试程序116

4.5.3 板载测试验证121

4.6 小结122

第5章 IIR滤波器的FPGA实现125

5.1 IIR滤波器的理论基础125

5.1.1 IIR滤波器的原理及特性125

5.1.2 IIR滤波器的结构形式126

5.1.3 IIR滤波器与FIR滤波器的比较128

5.2 IIR滤波器的设计方法129

5.2.1 几种典型的模拟滤波器129

5.2.2 原型转换设计法131

5.2.3 直接设计法132

5.3 IIR滤波器的MATLAB设计133

5.3.1 采用butter函数设计滤波器133

5.3.2 采用cheby1函数设计滤波器134

5.3.3 采用cheby2函数设计滤波器135

5.3.4 采用ellip函数设计滤波器135

5.3.5 采用yulewalk函数设计滤波器136

5.3.6 几种设计函数的比较136

5.3.7 采用FDATOOL设计滤波器138

5.4 IIR滤波器的FPGA实现139

5.4.1 直接型IIR滤波器的系数及运算字长139

5.4.2 直接型IIR滤波器的FPGA实现143

5.4.3 直接型IIR滤波器FPGA实现后的测试仿真149

5.4.4 级联型IIR滤波器的系数154

5.4.5 级联型IIR滤波器的FPGA实现156

5.4.6 级联型IIR滤波器FPGA实现后的测试仿真164

5.5 IIR滤波器的板载测试165

5.5.1 板载测试硬件接口电路165

5.5.2 板载测试程序166

5.5.3 板载测试验证169

5.6 小结170

第6章 多速率滤波器的FPGA实现171

6.1 多速率信号处理基础知识171

6.1.1 多速率信号处理的概念及作用171

6.1.2 多速率信号处理的一般步骤172

6.1.3 软件无线电中的多速率信号处理173

6.2 抽取与内插处理174

6.2.1 整数倍抽取174

6.2.2 整数倍内插176

6.2.3 比值为有理数的频率转换178

6.3 CIC滤波器178

6.3.1 CIC滤波器的原理179

6.3.2 CIC滤波器的应用条件181

6.3.3 单级CIC滤波器的FPGA实现183

6.3.4 多级CIC滤波器的FPGA实现185

6.3.5 CIC滤波器IP核的使用192

6.4 半带滤波器195

6.4.1 半带滤波器的原理195

6.4.2 半带滤波器的MATLAB设计195

6.4.3 多级半带滤波器的设计198

6.4.4 多级半带滤波器的FPGA实现200

6.5 多相分解技术207

6.5.1 多相分解技术的一般概念207

6.5.2 整数倍抽取滤波器的多相结构208

6.6 多速率滤波器的板载测试211

6.6.1 硬件接口电路211

6.6.2 板载测试程序212

6.6.3 板载测试验证214

6.7 小结215

第7章 自适应滤波器的FPGA实现217

7.1 自适应滤波器简介217

7.1.1 自适应滤波器的概念217

7.1.2 自适应滤波器的应用218

7.1.3 自适应算法的一般原理220

7.2 LMS算法222

7.2.1 LMS算法的原理222

7.2.2 LMS算法的实现结构223

7.2.3 LMS算法的字长效应224

7.2.4 符号LMS算法原理225

7.2.5 LMS算法的MATLAB仿真226

7.3 自适应线性滤波器的FPGA实现230

7.3.1 自适应线性滤波器的原理230

7.3.2 利用线性滤波器实现通道失配校正231

7.3.3 校正算法的MATLAB仿真231

7.3.4 校正算法的Verilog HDL实现234

7.3.5 FPGA实现后的仿真测试238

7.4 自适应均衡器的FPGA实现239

7.4.1 自适应均衡器的原理239

7.4.2 自适应均衡器的MATLAB仿真240

7.4.3 自适应均衡器的Verilog HDL实现243

7.4.4 FPGA实现后的仿真测试247

7.5 自适应天线阵的FPGA实现248

7.5.1 自适应天线阵的概念及原理248

7.5.2 自适应天线阵的MATLAB仿真251

7.5.3 自适应天线阵的Verilog HDL实现253

7.5.4 FPGA实现后的仿真测试257

7.6 自适应陷波器的FPGA实现258

7.6.1 自适应陷波器原理258

7.6.2 自适应陷波器的MATLAB仿真259

7.6.3 自适应陷波器的Verilog HDL实现262

7.6.4 FPGA实现后的仿真测试266

7.7 自适应陷波器的板载测试267

7.7.1 硬件接口电路267

7.7.2 板载测试程序267

7.7.3 板载测试验证272

7.8 小结273

第8章 变换域滤波器的FPGA实现275

8.1 变换域滤波器简介275

8.2 快速傅里叶变换276

8.2.1 离散傅里叶变换276

8.2.2 DFT存在的问题277

8.2.3 FFT算法的基本思想279

8.2.4 FFT算法的MATLAB仿真280

8.3 FFT核的使用281

8.3.1 FFT核简介281

8.3.2 FFT核的接口及时序283

8.4 频域滤波器的原理及MATLAB仿真284

8.4.1 抗窄带干扰滤波器的原理284

8.4.2 检测门限的选取285

8.4.3 频域滤波器的MATLAB仿真286

8.5 频域滤波器的FPGA实现289

8.5.1 FPGA实现的总体结构设计289

8.5.2 速率变换模块的设计与实现290

8.5.3 FFT及滤波设计与实现295

8.5.4 IFFT及数据输出设计与实现300

8.5.5 顶层文件设计及实现304

8.5.6 FPGA实现后的仿真测试306

8.6 频域滤波器的板载测试306

8.6.1 硬件接口电路306

8.6.2 板载测试程序307

8.6.3 板载测试验证310

8.7 小结312

第9章 DPSK解调系统的FPGA实现313

9.1 数字接收机的一般原理313

9.1.1 通用数字接收机处理平台313

9.1.2 基本调制／解调技术314

9.1.3 改进的数字调制／解调技术316

9.2 DPSK调制／解调原理317

9.2.1 DPSK调制原理及信号特征317

9.2.2 DPSK信号的MATLAB仿真319

9.2.3 DPSK解调原理321

9.3 DPSK解调参数设计324

9.3.1 数字下变频器的设计324

9.3.2 低通滤波器的设计325

9.3.3 数字鉴相器的设计327

9.3.4 环路滤波器的设计327

9.3.5 载波同步环设计的一般步骤329

9.4 Costas环的FPGA实现331

9.4.1 顶层模块的Verilog HDL实现331

9.4.2 鉴相器及环路滤波器的Verilog HDL实现333

9.4.3 Costas环实现后的仿真测试335

9.5 Costas环的板载测试336

9.5.1 硬件接口电路336

9.5.2 板载测试程序337

9.5.3 板载测试验证339

9.6 小结340

参考文献341