VLSI数字信号处理系统 设计与实现PDF电子书下载

第1章 数字信号处理系统导论 1

1.1引言 1

1.2典型的DSP算法 1

1.2.1卷积 2

1.2.2相关 3

1.2.3数字滤波器 3

1.2.4自适应滤波器 5

1.2.5运动估值 8

1.2.6离散余弦变换 9

1.2.7矢量量化 12

1.2.8 Viterbi算法和动态规划 14

1.2.9抽取器和扩展器 16

1.2.10小波和滤波器组 18

1.3 DSP应用需求和按比例缩小的 20

CMOS工艺 20

1.4 DSP算法的表示 23

1.4.1框图 24

1.4.2信号流图 26

1.4.3数据流图 27

1.5本书概要 29

1.4.4依赖图 29

参考文献 30

第2章 迭代边界 33

2.1引言 33

2.2数据流图表示 33

2.3环路边界和迭代边界 34

2.4计算迭代边界的算法 35

2.4.1最长路径矩阵算法 35

2.4.2最小环均值算法 38

2.5多速率数据流图的迭代边界 41

2.7习题 42

2.6结论 42

参考文献 45

第3章 流水线与并行处理 47

3.1引言 47

3.2 FIR数字滤波器的流水线 48

3.2.1数据广播结构 50

3.2.2细粒度流水线 51

3.3并行处理 51

3.4流水线与并行处理的功耗减低 54

3.4.1用流水线降低功耗 55

3.4.2用并行处理降低功耗 57

3.4.3流水线和并行处理的结合 61

3.5结论 61

3.6习题 61

参考文献 65

第4章 重定时 67

4.1引言 67

4.2.1重定时的定量描述 68

4.2.2重定时的性质 68

4.2定义与性质 68

4.3不等式求解系统 70

4.4重定时技术 71

4.4.1割集重定时和流水线 71

4.4.2时钟周期最小化的重定时 73

4.4.3使寄存器数最小化的重定时 78

4.5结论 82

4.6习题 82

参考文献 86

第5章 展开 89

5.1引言 89

5.2一种展开算法 90

5.3展开的属性 93

5.4关键路径、展开和重定时 94

5.5展开的应用 95

5.5.1采样周期的缩短 95

5.5.2并行处理 98

5.6结论 103

5.7习题 104

参考文献 108

6.1引言 111

第6章 折叠 111

6.2折叠变换 112

6.3寄存器最小化技术 116

6.3.1寿命分析 116

6.3.2采用前向－后向寄存器分配的数据分配技术 118

6.4折叠架构的寄存器最小化 121

6.4.1双2次节滤波器例子 121

6.4.2 IIR滤波器例子 122

6.5多速率系统的折叠 124

6.6结论 128

6.7习题 128

参考文献 137

7.1引言 139

7.2脉动阵列设计方法原理 139

第7章 脉动结构设计 139

7.3 FIR脉动阵列 141

7.3.1设计B1（输入广播，结果移动，权重保持） 141

7.3.2设计B2（输入广播，权重移动，结果保持） 143

7.3.3设计F（结果扇入，输入移动，权重保持） 144

7.3.4设计R1（结果保持，输入和权重反向移动） 145

7.3.6设计W1（权重保持，输入和结果反向移动） 146

7.3.5设计R2和双R2（结果保持，输入和权重同方向但不同速度移动） 146

7.3.7设计W2和双W2（权重保持，输入和结果同方向但不同速度移动） 147

7.3.8应用变换的关联脉动设计 147

7.4调度矢量的选择 147

7.4.1基于调度不等式选择sT 147

7.4.2 RIA描述 149

7.4.3应用RDG的调度矢量和脉动阵列设计 149

7.5矩阵乘法与二维脉动阵列设计 151

7.6包含延迟的空间表示脉动设计 154

7.8习题 155

7.7结论 155

参考文献 164

第8章 快速卷积 165

8.1引言 165

8.2 Cook-Toom算法 165

8.3 Winograd算法 172

8.4迭代卷积 178

8.5循环卷积 179

8.6通过观察设计快速卷积算法 182

8.8习题 183

8.7结论 183

参考文献 184

第9章 滤波器和变换中的算法强度缩减 185

9.1引言 185

9.2并行FIR滤波器 185

9.2.1并行FIR滤波器的多相式分解表示 185

9.2.2快速FIR算法 188

9.3离散余弦变换和反离散余弦变换 200

9.3.1算法结构变换 202

9.3.2对2m点DCT的频率抽取快速DCT 205

9.4.1奇偶合并分类结构 209

9.4秩－阶滤波器的并行结构 209

9.4.2秩－阶滤波器结构 211

9.4.3并行秩－阶滤波器 212

9.4.4运行次序合并分类器－时间映射技术 214

9.4.5低功耗秩－阶滤波器 216

9.5结论 217

9.6习题 217

参考文献 226

10.2数字滤波器中的流水线交织操作 229

10.1引言 229

第10章 流水线结构的并行自适应递归滤波器 229

10.2.1低效率的单通道／多通道交织 230

10.2.2高效的单通道交织 231

10.2.3高效率的多通道交织 233

10.3一阶IIR数字滤波器中的流水线实现 233

10.3.1一阶IIR滤波器的超前流水线结构 234

10.3.2在2的幂次分解中实现超前流水线 234

103.3在通用分解中实现超前流水线 236

10.4高阶IIR数字滤波器中的流水线实现 237

10.4.1聚类超前流水线 239

10.4.2稳定的聚类超前滤波器设计 240

10.4.3离散超前流水线 241

104.4基于2的幂次分解的离散超前流水线 243

10.4.5在通用分解中实现离散超前流水线 244

10.4.6受限的滤波器设计技术 244

10.5 IIR滤波器的并行处理 247

10.6组合了流水线和并行处理的IIR滤波器 252

10.7利用流水线和并行处理的低功耗IIR滤波器设计 254

10.8流水线自适应数字滤波器 257

10.8.1弛豫超前变换 257

10.8.2流水线LMS自适应滤波器 260

10.8.3用流水线实现随机梯度格型结构 261

10.9结论 269

10.10习题 269

参考文献 273

第11章 缩放噪声与舍入噪声 277

11.1引言 277

11.2缩放噪声和舍入噪声 277

11.2.1缩放操作 277

11.2.2舍入噪声 278

11.3数字滤波器的状态变量描述 280

11.4.1缩放操作 282

11.4缩放噪声和舍入噪声的计算 282

11.4.2舍入噪声 284

11.5流水线IIR滤波器中的舍入噪声 287

11.5.1一阶IIR滤波器 287

11.5.2二阶IIR滤波器 293

11.6舍入噪声的状态变量描述计算 296

11.7降速、重定时和流水线 298

11.8结论 302

11.9习题 302

参考文献 308

12.2 Schur算法 311

12.2.1 Schur多项式的计算 311

第12章 格型数字滤波器结构 311

12.1引言 311

12.2.2 Schur多项式的正规直交性 312

12.2.3多项式展开算法 315

12.2.4应用Schur算法的功率计算 316

12.3基本数字格型滤波器 317

12.3.1基本格型滤波器的导出 317

12.3.2基本格型滤波器的逆Schur多项式导出 320

12.3.3 FIR格型滤波器的导出 322

12.4单乘法器格型滤波器的导出 324

12.5归一化格型滤波器的导出 328

12.6可缩放归一化格型滤波器的导出 331

12.7格型滤波器中的舍入噪声计算 335

12.7.1应用转置定理的舍入噪声计算 336

12.7.2舍入噪声比较 337

12.8格型IIR数字滤波器的流水线 338

12.8.1 Schur算法的流水线性质 339

12.8.2基本格型滤波器的流水线 340

12.8.3单乘法器格型滤波器的流水线 341

12.8.5可缩放归一化格型滤波器的流水线 342

12.8.4归一化格型滤波器的流水线 342

12.8.6重定时流水线的格型滤波器 343

12.9流水线格型滤波器的设计例子 344

12.10低功耗CMOS格型IIR滤波器 346

12.11结论 347

12.12习题 347

参考文献 350

第13章 位级运算架构 353

13.1引言 353

13.2.1具有符号扩展的并行乘法 354

13.2并行乘法器 354

13.2.2 Baugh-Wooley乘法器 358

13.2.3改进的Booth重编码并行乘法器 359

13.3交织布局规则与基于位平面的数字滤波器 361

13.4位串行乘法器 362

13.4.1利用Horner法则的Lyon位串行乘法器的设计 362

13.4.2利用脉动映射的位串行乘法器的设计 365

13.5位串行滤波器的设计与实现 368

13.5.1位串行FIR滤波器 369

13.5.2位串行IIR滤波器 369

13.6.1 CSD表示法 372

13.6正则符号数运算 372

13.6.2 CSD乘法 374

13.7分布式运算 377

13.7.1传统的分布式运算 377

13.7.2使用偏移二进制编码的分布式运算 379

13.7.3分布式运算的ROM分解 381

13.8结论 382

13.9习题 382

参考文献 388

14.2冗余数表示 391

第14章 冗余运算 391

14.1引言 391

14.3无进位基2加法与减法 392

14.3.1混合基2加法 393

14.3.2混合基2减法 394

14.3.3混合基2加法减法器 395

14.3.4有符号二进制数位加法减法器 395

14.4混合基4加法 397

14.4.1最大冗余混合基4加法 397

14.4.2最小冗余混合基4加法 398

14.5基2混合冗余乘法架构 399

14.6数据格式转换 403

14.6.1非冗余到冗余转换 403

14.7冗余到非冗余转换器 404

14.7.1最低数位优先转换 405

14.7.2最高数位优先转换 405

14.8结论 408

14.9习题 408

参考文献 410

15.3多常数乘法 413

15.2子表达式消除 413

第15章 数字强度缩减 413

15.1引言 413

15.3.1线性变换 415

15.3.2多项式求值 416

15.4数字滤波器中的子表达式共享 417

15.5加性和乘性数字拆分 423

15.5.1基于行的加性数字拆分 424

15.5.2基于列的加性数字拆分 425

15.5.3乘性数字拆分 426

15.7习题 429

15.6结论 429

参考文献 434

第16章 同步流水线、波流水线和异步流水线 435

16.1引言 435

16.2同步流水线与时钟风格 436

16.3位级流水线VLSI设计中的时钟歪斜与时钟分布 442

16.3.1时钟歪斜 442

16.3.2时钟分布 444

16.4波流水线 445

16.5约束空间图与波流水线深度 449

16.5.1△≤Tclk 450

16.6波流水线系统的实现 451

16.5.2△≥O 451

16.6.1 NPCPL 452

16.6.2给定电路的波流水线算法 452

16.7异步流水线 455

16.7.1捆绑数据协议和双轨协议 456

16.7.2两相和四相协议 457

16.8信号转换图 457

16.9信号转换图应用于设计互连电路 459

16.10.1全定制VLSI实现 463

16.10运算单元的实现 463

16.10.2 FPGA实现 465

16.11结论 469

16.12习题 469

参考文献 470

第17章 低功耗设计 473

17.1引言 473

17.2理论背景 475

17.3按比例缩小与功耗 476

17.4.1开关活动率 478

17.4功耗分析 478

17.4.2物理电容 484

17.5功耗降低技术 485

17.5.1路径平衡 485

17.5.2晶体管和逻辑门尺寸优化 486

17.5.3晶体管重排序 486

17.5.4用于低功耗的重定时 487

17.5.5电压按比例缩小和多电源电压 487

17.5.6双／多－Vth 489

17.5.8电路风格 490

17.5.7 时钟 490

17.6功耗估计方法 492

17.6.1基于仿真的方法 492

17.6.2非仿真性方法 493

17.7结论 502

17.8习题 503

参考文献 504

18.1引言 509

18.2可编程数字信号处理器的进化 509

第18章 可编程数字信号处理器 509

18.3 DSP处理器的重要特性 510

18.3.1数据路径 510

18.3.2存储器架构 511

18.3.3流水线作业DSP处理器中的时间固定编码和数据固定编码 513

18.4移动通信与无线通信用的DSP处理器 514

18.5多媒体信号处理用的处理器 515

18.5.1增强对多媒体信号处理的能力 515

18.5.2媒体处理器 518

18.5.3具有多媒体辅助部件的通用目的微处理器 521

18.6结论 522

参考文献 522

附录A 最短路径算法 525

附录B 调度技术和分配技术 529

附录C 欧几里德最大公因子算法 545

附录D Schur多项式的正规直交性 549

附录E 快速二进制加法器和乘法器 553

附录F 位串行系统中的调度 561

附录G FIR滤波器的系数量化 565

索引 569