FPGA数字信号处理设计教程：System Generator入门与提高

FPGA数字信号处理设计教程：System Generator入门与提高FPGA数字信号处理设计教程：System Generator入门与提高莲宝鐵非合大XMLX内容简介本书主要介绍基于FPGA数字信号处理的设计流程,探讨数字信号处理算法在FPGA中的硬件设计与实现,重点讲述基于 System Generator的FGA开发及其构成模块、图形化工程设计流程及实现。本书立足于实践,结合作者多年从事FPGA数字信号处理的设计和教学经验,通过大量设计实例详细探讨了数字信号处理算法在FGA硬件开发中的详细设计流程光盘内附详细实例)。所有实例均在 XILINX公司大学计划 Spartan-3E开发板上验证通过。本书可作为使用 XILINⅹ产品开发数字信号处理系统的工程技术人员及项目管理人员等的参考书,也可作为有志于数字电路设计的高等院校高年级本科生和研究生的专业教材。图书在版编目(CIP)数据FPGA数字信号处理设计教程; System Generator入门与提高/纪志成等编著.一西安:西安电子科技大学出版社,2008,2XLNX大学合作计划指定教材ISBN97875606-19682I.F…Ⅱ.纪…Ⅲ.数字信号一信号处理一应用软件, System Generator教材Ⅳ.TN911.72中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第000056号策划戚文艳责任编辑戚文艳出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号)电话(029)8824288588201467邮编710071http://www.xduph.comE-mail:xdupixb@pub.xaonline.com经销新华书店印刷单位西安文化彩印厂版次2008年2月第1版2008年2月第1次印刷开本787毫米×1092毫米1/16印张1275字数295千字印数1~4000册定价2600元(含光盘)ISBN978-7-5606-1968-2/N·0403XDUP22600011***如有印装问题可调换*出学大体千申西本社图书封面为激光防伪覆膜,谨防盗版。800前言000196mtev2章数字信号处理是利用计算机或专用处理器设备,以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应用的目的。随着半导体集成电路和计算机技术的迅速发展,数字信号处理的理论和技术已经应用到社会的各个方面,成为整个数字化技术的基础。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方向的发展,数字信号处理对系统的要求越来越高,传统的基于DsP处理器芯片的数字信号处理系统技术难以满足日益提高的整机系统的要求。而现场可编程门阵列(FPGA)由于其固有的特征,正好填补了这方面的要求。FPGA可以方便地通过对逻辑结构的修改和配置,完成对系统和设备的升级,以便迅速适应市场的变化。田个出能章在以FPGA为核心器件设计信号处理系统时,使用 XILINX System Generator for DSP可在 MATLAB/Simulink的环境下建立数字信号处理系统的抽象算法,并将抽象算法转化成可靠的硬件实现,它是数字信号处理系统设计与 XILINX FPGA实现之间的桥梁”。01NX System Generator for DSP软件是由XUNX公司开发的 MATLAB/Simulink环境下的一个工具箱,在使用FPGA作为原型平台运行算法时,这一新软件不仅能够对硬件的真实情况进行仿真,还能够自动生成硬件实现时所需的硬件描述语言代码。与语言设计方法相比,使用Ⅻ INX System Generator for DSP有三个主要的优势:第一,图形化操作,简单易用;第三,实现的算法能确保与仿真结果相符:第三,无需为仿真和实现建立不同的模型。点寂,容内,则负到业本书的目的之一是告诉读者基于FPGA的数字信号处理的设计流程;之二是以实现的形式帮助读者快速上手使用 XILINX System Generator for DSP进行 XILINX FPGA的开发,本书中所有实验都是针对 XILINX Spartan-3E开发板设计的。录作滑只本书假定读者己经熟悉 MATLAB的基础知识,由于有许多有关 MATLAB方面的辅导性教材或参考指南都可利用,因而这些内容本书未予包括快AB麟到未内容安排XAmX面全游野,苹章润的章非斜计本百木书共分6章内容,如果读者是一位彻底的求知者,可以全面研读所有6章内容。如果读者时间紧张,可以根据个人不同的知识结构阅读其中的部分章节。在下面的“适合读者”的标签下给出了一些建议,针对不同的读者,推荐阅读本书的部分章节。第1章FPGA硬件结构律工的亡卧界图AD本章回顾了FPGA的发展史,重点介绍了XIⅠ NX FPGA的内部结构及几个重要硬件功能模块,包含器件参数列表和选型指南。2本词第2章数字信号处理的基本知识本章回顾了数字信号处理的几个基本知识点,作为本书所用知识点的补充,包括AD和D/A转换、傅立叶变换、FR滤波器等。对此部分内容比较熟悉的读者可以略过本章第3章 System Generator概述本章介绍了 XILINX System Generator for DSP,包括软件的运行环境和重要特征。第4章 System Generator库的构成本章介绍了 System Generator工具箱中的各个模块,读者可以将其视为技术手册使用,当需要用到某个模块时具体查阅。第5章图形化工程设计流程及实现本章对比常规FPGA开发流程和基于 System Generator进行rPGA开发的流程,提出了基于 System Generator的图形化工程设计流程回等A第6章应用实例求要是时高是益日虽为章木好的直型已的音固其干由本章给出了几个使用 System Generator开发的应用实例,包括数字振荡器、FR滤波器CORDIC算法和时延数字正切锁相环。里卧十抖器小改AD甲本书中给出的大量实例均由江南大学电气自动化研究所研究生在 MATLABv71.0 Simulink v63(R143) Service Pack3、 System Generators81SP3和ISF8.2SP3开发环境下验证通过,并以XINX大学计划 Spartan3E开发板作为实验平台。读者在完成本书中的实验时,请先将本书附赠的光盘中的SG文件夹拷贝到PC机的C盘根目录下,SG文件夹下 solutions文件夹中的内容为在正确完成实验后应当得到的工程文件。在阅读本书和使用 System Generator的过程中需要注意的地方和一些小技巧在书中都用“◆”符号标记出。参与本书编写工作的主要人员有高春能、吴定会、何炯、陈星、梁薇等。全书由纪志成教授负责规划、内容安排、定稿与修改。的适合读者照早静媒的AD基和君量一目闻本尽管希望读者能完整阅读本书,以获得本书中提供的大量信息,但可能读者没有那么多时间,如果读者希望只阅读对自身有用的章节,这里有一些建议。宝舜木未接触过FPGA的信号处理系统开发人员内而因体四等体妈建议详细阅读本书除第2章外的所有章节,以便能够全面了解 XILINX FPGA器件并使用 System Generator进行数字信号处理系统的开发。果,内算》共与合希望迅速上手 System Generator的FPGA工程开发人员建议详细阅读本书第3、5、6章内容,尤其是其中的实验部分,以便对使用 SystemGenerator开发FPGA的流程有相当的了解。体料A项目管理人员中别要的AD中建议详细阅读本书第5章内容,熟悉FPGA数字信号处理的设计流程,从而更好地管理工程项目,保证项目开发的收敛性希望验证算法的科研人员建议详细阅读本书第1、3、5、6章内容,在 System Generator中构建数学仿真模型后,利用 System Generator强大功能迅速转换成FPGA硬件实现从而验证数学算法的可行性。致谢首先感谢江南大学电气自动化研究所的广大教员和研究生对本书的大力支持,每一章节和实例教程都渗透了他们辛勤的汗水和不倦的工作,同时也感谢所有参与原始资料翻译工作的学生们。感谢XⅠNX公司中国区大学计划经理谢凯年博士对本书的关心和支持。本书在写作过程中参考了大量相关文献,在此对这些文献的作者表示深深的感谢!由于作者水平有限,书中难免有疏忽、不恰当,甚至错误之处,恳请各位读者批评指正。编者2007年11月目录第1章FPGA硬件结构1.1FPGA的可编程技术…1.1.1基于SRAM的FPGA器件味“中味和私丰和+++++H由a=1.1.2反熔丝FPGA…型1重日副LL1.13基于Fash的FPGA12FPGA的内部结构………21.2.1可配置逻辑模块(CLB)…..4++十十世mmm主日_画目212可配置o模块……国国率品和和国11.23块存储器( Block rAM)……,6124数字时钟管理器(DCM)10125硬件乘法器模块 Multiplier121.3 XILINX公司主流产品介绍与器件选择…1“…““12131主流FPGA产品…112132器件的选择……………………………1514本章小结…………16第2章数字信号处理的基本知识11121模拟数字转换和数字模拟转换17211模拟数字转换……18212数字模拟转换22离散傅立叶变换DFT)与快速傅立叶变换(FFT)…m…21221离散傅立叶变换 Discrete Fourier transf0m,DF】)…111222快速傅立叶变换 Fast Fourier transform,FF)23滤波器……272.31无限脉冲响应数字滤波器(IR)………232有限脉冲响应数字滤波器(FIR)中·中面市道31233R滤波器与FR滤波器的比较…3224本章小结丰日日斗斗开日十出世想生打注日丰非丰国日日非中中里悲主主国目率国副福日和本日套注32第3章 System Generator概述331软件需求.¨3332软件安装33编译XIⅠNX硬件描述语言库…国翻率34FPGA器件需求主国“本,节+“ tanEt翻率3535使用FPGA进行数字信号处理的优势…35636用 System Generator进行系统级建模.……3936.1 MATLAB、 Simulink和 System Generator的运行环境….403.62一般流程3.63流程范例364几个重要特点……11111483.7本章小节…,,……………第4章 System Generator l库的构成整AD4. I System Generator模块定义,:日本‘.+5242在 Simulink模型中引用 XILINX模块…AoTe5243 XILINX Blockset库…11…111344ⅹ ILINX Blockset库AD的E.“击““…,……,,,,,…614.5 XILINX Reference Blockset AE……,1334.6 XILINX XtremeDSP Kit库……11:13547本章小结11013第5章图形化工程设计流程及实现13851常规设计流程138511使用硬件描述语言的FPGA开发流程…138512使用 XILINX CORE Generator的FPGA开发流程……152使用 XILINX System Generator的FPGA开发流程53 System Generator的重要功能.……+……,,144531硬件描述语言协同仿真144532硬件验证,…,开14853系统在线调试世非本事平“156534资源估计“+?tt主a1.审和鲁连画54本章小结……164第6章应用实例……………………………6.1数字振荡器.111111111111111111166611用IR滤波器实现振荡器…………………中)出熟166612用查表法实现数控振荡器.……………+1762有限脉冲响应(FR)滤波器…用要朋117662-标准FR滤波器"111177622标准FR滤波器的改进结构正…市市国日丰证世1786.23转置4抽头HR滤波器:111179624转置4抽头的FR滤波器的变换结构……01519n00 meter F179625使用 System Generator现有乘加FR模块……·日和日十18063 CORDIC算法的原理与运用…:11182631 CORDIC算法介绍…182632 CORDIC算法的运用私“184264时延数字正切锁相环1188641零阶时延数字正切锁相环…m计+18964.2一阶时延数字正切锁相环:1165本章小结围8,n192附录光盘内容树状图,,…m6:1164193参考文獻-3第1章FPGA硬件结构第1章FPGA硬件结构A中n己某E.1FPGA( Field Programmable Gate Array)是一类高集成度的可編程逻辑器件,起源于美国的XⅠNX公司,该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十多年的发展过程中,FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断地完善且日趋成熟。从最初的1200个可用门,到20世纪90年代时几十万个可用门,到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片, XILINX、 Altera等世界FPGA顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA技术结合了微电子技术、电路技术、EDA技术,使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计。与专用集成电路 ASIC(APPlication Specific Integrated Circuit相比,FPGA具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势,因而得到了广泛应用,同时和FPGA相关的各项技术也迅速发展起来,AD的与自器气主的ADq个一FPGA是现场可编程门阵列的简称。之所以赋予这个名字,一方面是因为FPGA可以用编写代码的方法实现复杂逻辑电路,另一方面是因为其内部是由规则的逻辑阵列所组成的,非常类似一个由逻辑门构成的阵列,而且这种结构很适合实现复杂设计并可重复编程。用软件编程的思想实现复杂硬件逻辑设计是FPGA的一大特点。FPGA如何能做到通过软件编程来实现硬件逻辑电路的呢?本章将通过简单介绍FGA内部结构使读者能够初步理解FPGA可编程的基本原理11FGA的可编程技术目前,市场上有三种基本的FGA编程技术。sBAM、反熔丝和Fash。其中,基于SRAM的FPGA是迄今为止应用范围最广的架构,主要因为它速度快且具有可重编程能力;反熔丝FPGA只具有一次可编程( One Time Programmable,OTP)能力;基于Fash的FPGA是FPGA领域中比较新的技术,也具有重编程的能力。另外,基于SRAM的FPGA器件经常带来一些额外的成本,包括启动PROM支持安全和保密应用的备用电池等。基于反熔丝和Fash的FPGA没有这些隐含成本,因此可保证有较低的总系统成本。1.1.1基于SRAM的FPGA器件日置这类产品是基于SRAM结构的可再配置型器件,上电时要将配置数据读入片内SRAM中,配置完成就可进入工作状态。掉电后SRAM中的配置数据丢失,FPGA内部逻辑关系随之消失。这种基于SRAM的FPGA可以反复重新编程,这使得系统的“在线升级”变得非常容易。