FPGA培训―基于FPGA的DSP系统设计与实现

课程适合于使用Xilinx FPGA器件进行DSP领域科研和产品开发的具有中等水平的工程技术人员，也适合于相关专业领域具有相当水平的教师和研究生。
参加学习的学员应该具有数字电路、数字信号处理的基本知识，具备Verilog或VHDL的中等知识，至少具备采用Xilinx工具和Xilinx FPGA器件6个月以上设计经验。

本课程以DSP设计在FPGA芯片上的开发为主线，遵照由浅入深的基本步骤和思路进行详细讲解，每一个知识点都给出了基于ISE（HDL语言）、System Generator和AccelDSP的图形化设计实例，通过大量的程序实例，全面、精辟地介绍了利用现场可编程门阵列（FPGA）实现数字信号处理的方方面面。
本课程首先介绍了当前的FPGA技术以及最新的DSP系统工具的概况；接着主要介绍了计算机算法的概念、理论、有限字长效用、FIR和IIR滤波器的实现、多速率和自适应信号处理的FPGA实现；最后，介绍了System Genrerator和AccelDSP的应用和开发，随着设计规模的日益增长，基于图形化的System Generator和AccelDSP来开发复杂的数字信号处理系统也成为未来的趋势。

一、课程介绍
在通信和图像处理应用中，需要强大的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）能力。当最快的数字信号处理器（DSP）仍无法达到速度要求时，其选择除了增加处理器的数目之外，就是采用可编程逻辑器件，主要是FPGA芯片来实现。
本课程以DSP设计在FPGA芯片上的开发为主线，遵照由浅入深的基本步骤和思路进行详细讲解，每一个知识点都给出了基于ISE（HDL语言）、System Generator和AccelDSP的图形化设计实例，通过大量的程序实例，全面、精辟地介绍了利用现场可编程门阵列（FPGA）实现数字信号处理的方方面面。
本课程首先介绍了当前的FPGA技术以及最新的DSP系统工具的概况；接着主要介绍了计算机算法的概念、理论、有限字长效用、FIR和IIR滤波器的实现、多速率和自适应信号处理的FPGA实现；最后，介绍了System Genrerator和AccelDSP的应用和开发，随着设计规模的日益增长，基于图形化的System Generator和AccelDSP来开发复杂的数字信号处理系统也成为未来的趋势。
本课程为期四天，课程时间大致安排为：讲课占60%～80%，实验占20%～40%。培训课程使用的所有软硬件工具由培训方提供。根据培训时间和地点的不同，软硬件版本会有所变化。本课程的可在《FPGA开发基础入门》的课程之后展开，将培训人员带入DSP设计的殿堂，并熟练掌握这一应用。
二、研修时间：2009年08月20-23日(19日报到)
三、研修地点：北 京（具体地点及路线图详见报到通知）
四、培训对象
课程适合于使用Xilinx FPGA器件进行DSP领域科研和产品开发的具有中等水平的工程技术人员，也适合于相关专业领域具有相当水平的教师和研究生。
参加学习的学员应该具有数字电路、数字信号处理的基本知识，具备Verilog或VHDL的中等知识，至少具备采用Xilinx工具和Xilinx FPGA器件6个月以上设计经验。
五、工具平台
培训课程使用的所有软硬件工具由培训方提供。根据培训时间和地点的不同，软硬件版本会有所变化。培训方可以以优惠的价格向学员提供高级开发板，以方便学员在学习结束后继续深入研究。
6.1.软件工具：
√ Xilinx ISE Design Suite √ ModelSim SE √ Matlab/Simulink
6.2.硬件工具：
√ 高性能PC机（P4 2.4G/1G内存以上配置）
√ Xilinx XUP Spartan3E：该开发系统是Xilinx公司专门设计用于提供教育培训服务的一款开发板，它的很多创新特性为数字工程类课程以及研究提供了完整的技术支持，如数字系统设计、计算机架构、嵌入式系统、实时操作系统、数字信号处理、图像与视频处理和数字通信等，可以实现片上课程理念。
七、教学大纲
基于Xilinx FPGA的DSP系统设计与实现的课程安排如下：

第一天
课程目标：通过本天课程的学习，需要从编程能力、硬件结构以及软件操作等三方面达到高速电路的快速开发技巧。此外，所有内容都配套演示实验或动手实验，以便加深理解。
课程内容
第一天以Xilinx器件的DSP系统开发技能为讲课主线，分为下面4部分内容：
1. 基于FPGA的DSP系统开发导论。0.5学时
2. 高级HDL语言应用技巧，涉及关键语法、代码风格以及面向硬件的设计思维，为后续DSP课程的深入学习大好基础。2.5学时
3. Xilinx器件结构简介，介绍Virtex 5、Virtex 4、Spartan3A/E/ADSP器件的结构，Xilinx原语基础，以及其内部的硬核模块，包括全局时钟、差分时钟、DSP48E/A模块、BRAM模块、DCM模块。0.5学时
4. ISE高级操作技巧，包括：FloorPlanner、FPGA Editor、ChipScope Pro、Timing Analyzer、Power Analyzer等高级组件的应用；面向目标和策略的实现方法，Tcl脚本、Xplorer/SmartXplorer以及Smart Guide等创新功能的使用。2.5学时
? 实 验
实验主要围绕关键知识点展开，包括下列演示实验和动手实验两部分：
1. HDL模块的参数化例化；演示实例
2. 触发器和锁存器应用实例；演示实例
3. 阻塞赋值和非阻塞赋值应用实例；演示实例
4. if和case语句操作实例；演示实例
5. 逻辑复用操作实例；动手实例
6. 流水线设计实例；演示实例
7. 原语调用实例； 演示实例
8. 差分转单端操作实例；演示实例
9. 全局时钟和硬核模块DCM调用实例；演示实例
10. DSP48单元操作实例；演示实例
11. BRAM操作实例；演示实例
12. FloorPlanner操作实例；演示实例
13. FPGA Editor操作实例；演示实例
14. ChipScope Pro操作实例；动手实例
15. Timing Analyzer操作实例；演示实例
16. Power Analyzer操作实例；演示实例
17. Xplorer和TCL脚本操作实例；动手实例
18. Smart Guide操作实例；演示实例
第二天
? 课程目标
通过本天课程的学习，掌握DSP系统设计流程以及在FPGA芯片中完成各类常用DSP模块（包括基础设计和高级设计两大类）的高效开发技巧。
? 课程内容
第二天以Xilinx器件的DSP系统开发技能为讲课主线，分为下面4部分内容：
1. 基于FPGA的DSP开发本质、流程、项目实施技巧、Xilinx器件和Altera器件比较以及Xilinx各类资源的获取方式说明。0.5学时
2. 常用DSP操作的原理和实现：定点/浮点化操作、ADC/DAC工作原理、低通/带通采样定理、有限字长效应、典型数字操作（加、减、乘、除、Cordic算法、FFT变换）、DDS模块以及FIR/IIR滤波器设计（MATLAB设计）和FPGA实现（HDL代码实现、COE文件制作、各类IP核的调用和说明）。3学时
3. 高级DSP操作的原理和实现：多速率滤波器（插值/抽取FIR滤波器、插值/抽取CIC滤波器、插值/抽取半带滤波器）的MATLAB设计和FPGA实现（HDL代码和各类IP盒的使用）、自适应滤波器（LMS算法、RLS算法）的MATLAB设计和FPGA实现。2学时
4. 基于MATLAB和ISE的FPGA混合测试方法：在MATLAB中产生测试激励文本、在HDL测试代码中读入文本数据并将结果写入文本，最后在MATLAb中分析HDL输出结果。0.5学时
? 实 验
实验主要围绕关键知识点展开，包括下列演示实验和动手实验两部分：
1. Xilinx器件和Altera器件比较；演示实例
2. 定点和浮点转化实例；演示实例
3. 有限字长应用实例（加法、乘法计算结果的扩位和截位）；演示实例
4. 加法器的FPGA实现；演示实例
5. 乘法器的FPGA实现；演示实例
6. 除法器的FPGA实现和IP核调用；演示实例
7. FFT IP核应用实例； 演示实例
8. DDS IP核应用实例；动手实例
9. FIR滤波器的MATLAB设计和FPGA实现；动手实例
10. IIR滤波器的MATLAB设计和FPGA实现；演示实例
11. 脉冲成形滤波器的MATLAB设计和FPGA实现；演示实例
12. 插值和抽取操作的MATLAB设计和FPGA实现；演示实例
13. CIC滤波器的MATLAB设计和FPGA实现；动手实例
14. 半带滤波器的MATLAB设计和FPGA实现；演示实例
15. LMS算法的MATLAB设计和FPGA实现；演示实例
16. 基于MATLAB和ISE混合测试操作实例（中值滤波）；动手实例
第三天
? 课程目标
通过本天课程的学习，掌握图形化的FPGA设计工具System Generator的操作，以及掌握基于FPGA的多媒体处理系统开发技巧。
? 课程内容
第三天以Sysgen使用和多媒体处理系统为讲课主线，分为下面3部分内容：
1. System Generator的基本操作和高级操作：Sysgen的可视化特征和开发流程、基本模块说明、常用DSP处理模块的使用、MCode模块（导入.m代码）的操作、Blockbox模块（导入HDL代码）的操作、ChipScope模块的使用、硬件协仿真操作以及软硬件协同开发基础。3学时
2. 基于Sysgen的多媒体处理专题，分为语音和图像两大方向。语音：语音处理平台、回波产生以及自适应干扰抵消；图像：二维卷积、图像增强、图像降噪、边缘提取、灰度均衡、腐蚀以及膨胀等操作的原理和FPGA实现。2学时
3. 视频接口开发专题：常用PAL/NTSC视频解码/编码芯片、I2C接口原理和FPGA、视频接口芯片的配置、YUV和RGB相互转换的原理和FPGA实现。1学时
? 实 验
实验主要围绕关键知识点展开，包括下列演示实验和动手实验两部分：
1. 基于Simulink的AM调制系统开发；演示实例
2. Sysgen基本模块演示说明；演示实例
3. 在Sysgen中FIR滤波器的设计和实现；动手实例
4. 在Sysgen中DDS、CIC以及LMS模块的设计和实现；演示实例
5． 在Sysgen中Chipscope Pro的操作；动手实例
6. 在Sysgen中硬件协仿真的操作；动手实例
7. 21个多媒体演示实例；其中LMS算法、边缘检测为动手实例，其次为演示实例
8. I2C接口驱动和视频芯片配置实例；演示实例
9. YUV和RGB信号的转换实验；演示实例
第四天
? 课程目标
通过本天课程的学习，掌握利用MATLAB.m函数来完成FPGA开发的设计工具AccelDSP的操作，以及掌握基于FPGA的通信系统开发技巧。
? 课程内容
第四天以Accel DSP使用和通信系统开发为讲课主线，分为下面2部分内容：
1. Accel DSP的基本操作和高级操作：Accel DSP的可视化特征和开发流程、基本代码结构说明、可综合M文件编程规范（包括常用的M文件整体设计架、数据类型简介以及基本操作符）、.m代码设计技巧、定点模型详解、硬件架构优化Accelware库的使用。3.5学时
2. 基于FPGA的通信处理专题：软件无线电概论（数字前端概述）、第1/2/3代数字接收机和发射机的结构、宽带数字下变频（DDC）和数字上变频（DUC）的原理和FPGA实现、Xilinx公司的无线通信解决方案、数字调制和解调（QPSK和OFDM）、功率放大器处理算法（消峰CFR、数字预失真DPD的设计和FPGA实现）。2.5学时
? 实 验
实验主要围绕关键知识点展开，包括下列演示实验和动手实验两部分：
1. Accel DSP基本模块演示说明；演示实例
2. 基于Accel DSP的FIR滤波器系统开发；动手实例
3. 在Accelware库的使用；演示实例
4. 在Accel DSP中DDS、CIC模块的设计和实现；演示实例
5．在Accel DSP中DDC设计的优化；动手实例
6. 3代接收机演示实例；演示实例
7. 宽带DDC、DUC设计实例；演示实例
8. 数字调制QPSK模块的设计和实现；演示实例
9. 宽带CFR设计实例；演示实例
10. 宽带DPD设计实例；演示实例
八、授课专家
田老师：毕业于北京某著名高校信号与信息处理专业，具有丰富的FPGA开发经验，主要从事无线通信中的信号处理研究工作，负责和参与过多个百万门级FPGA（Virtex 2 Pro XC2VP30、Virtex 4-SX 35 XC4VSX35、Virtex 5-SX XC5VSX50T）开发项目，包括WCDMA系统干扰抵消器、数字直放站以及功放线性化技术等重大科研项目，部分设计已投入市场，取得了较大的经济效益。此外，编写了多本Xilinx大学合作计划指定教材，涉及Xilinx公司最新版本的开发软件使用教程。主讲过多场培训，深受学员好评。
九、授课方法：采用理论与上机实践同步的专题讲解，结合交流、讨论、案例分析等互动的方式，学习后向经考核合格的学员颁发证书。并为学员与专家、学员与学员之间建立广阔的交流平台，使学员在学习后也可以与专家共同解决在自己工作实践中碰到的困惑与难题。
十、收费标准：2600元/人，3-5人9.5折优惠，6人以上9折优惠，含资料、午餐、课时费、证书。
附: 如果需要购买Xilinx XUP Spartan3E开发板，另收开发板费用1600元
另有XUPV5-LX110T开发板，购买请致电咨询。
十一、付款方式：学员报名后，请直接将款汇到指定账号（见回执表）。

田老师：毕业于北京某著名高校信号与信息处理专业，具有丰富的FPGA开发经验，主要从事无线通信中的信号处理研究工作，负责和参与过多个百万门级FPGA（Virtex 2 Pro XC2VP30、Virtex 4-SX 35 XC4VSX35、Virtex 5-SX XC5VSX50T）开发项目，包括WCDMA系统干扰抵消器、数字直放站以及功放线性化技术等重大科研项目，部分设计已投入市场，取得了较大的经济效益。此外，编写了多本Xilinx大学合作计划指定教材，涉及Xilinx公司最新版本的开发软件使用教程。主讲过多场培训，深受学员好评。