书籍详情
数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现（Altera/Verilog版）
作者：杜勇 编著
出版社：电子工业出版社
出版时间：2015-03-01
ISBN：9787121255847
定价：¥68.00
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内容简介
本书以Altera公司的FPGA器件为开发平台，采用MATLAB及Verilog HDL语言为开发工具，详细阐述数字通信同步技术的FPGA实现原理、结构、方法和仿真测试过程，并通过大量工程实例分析FPGA实现过程中的具体技术细节。主要包括FPGA实现数字信号处理基础、锁相环技术原理、载波同步、自动频率控制、位同步、帧同步技术的设计与实现等内容。本书思路清晰、语言流畅、分析透彻，在简明阐述设计原理的基础上，主要追求对工程实践的指导性，力求使读者在较短的时间内掌握数字通信同步技术的FPGA设计知识和技能。本书的配套光盘收录了完整的MATLAB及Verilog HDL实例工程代码，有利于工程技术人员进行参考学习。
作者简介
杜勇，男，高级工程师，1976年生，硕士学位，毕业于国防科技大学，现工作于酒泉卫星发射中心。承担的项目共计4项，主要方向为无线通信技术的设计与实现，均为项目负责人，主要承担项目总体方案设计、核心算法设计及FPGA实现、硬件电路板的设计等工作。
目录
第1章 同步技术的概念及FPGA基础 1
1.1 数字通信中的同步技术 2
1.2 同步技术的实现方法 4
1.2.1 两种不同的实现原理 4
1.2.2 常用的工程实现途径 5
1.3 FPGA概念及其在信号处理中的应用 6
1.3.1 基本概念及发展历程 6
1.3.2 FPGA的结构和工作原理 8
1.3.3 FPGA在数字信号处理中的应用 15
1.4 Altera器件简介 16
1.5 Verilog HDL语言简介 18
1.5.1 HDL语言简介 18
1.5.2 Verilog HDL语言特点 19
1.5.3 Verilog HDL程序结构 20
1.6 FPGA开发工具及设计流程 21
1.6.1 Quartus II开发套件 21
1.6.2 ModelSim仿真软件 25
1.6.3 FPGA设计流程 27
1.7 MATLAB软件 29
1.7.1 MATLAB软件介绍 29
1.7.2 MATLAB工作界面 29
1.7.3 MATLAB的特点及优势 30
1.7.4 MATLAB与Quartus的数据交互 32
1.8 小结 33
第2章 FPGA实现数字信号处理基础 35
2.1 FPGA中数的表示 36
2.1.1 莱布尼兹与二进制 36
2.1.2 定点数表示 37
2.1.3 浮点数表示 38
2.2 FPGA中数的运算 41
2.2.1 加/减法运算 41
2.2.2 乘法运算 44
2.2.3 除法运算 46
2.2.4 有效数据位的计算 46
2.3 有限字长效应 49
2.3.1 字长效应的产生因素 49
2.3.2 A/D转换器的字长效应 49
2.3.3 系统运算中的字长效应 51
2.4 FPGA中的常用处理模块 53
2.4.1 加法器模块 53
2.4.2 乘法器模块 55
2.4.3 除法器模块 58
2.4.4 浮点运算模块 59
2.4.5 滤波器模块 60
2.5 小结 63
第3章 锁相技术原理及应用 65
3.1 锁相环的工作原理 66
3.1.1 锁相环路的模型 66
3.1.2 锁定与跟踪的概念 67
3.1.3 环路的基本性能要求 68
3.2 锁相环的组成 69
3.2.1 鉴相器 69
3.2.2 环路滤波器 70
3.2.3 压控振荡器 71
3.3 锁相环路的动态方程 71
3.3.1 非线性相位模型 71
3.3.2 线性相位模型 73
3.3.3 环路的传递函数 74
3.4 锁相环路的性能分析 76
3.4.1 暂态信号响应 76
3.4.2 环路的频率响应 78
3.4.3 环路的稳定性 80
3.4.4 非线性跟踪性能 82
3.4.5 环路的捕获性能 83
3.4.6 环路的噪声性能 85
3.5 锁相环路的应用 87
3.5.1 环路的两种跟踪状态 87
3.5.2 调频解调器 87
3.5.3 调相解调器 88
3.5.4 调幅信号的相干解调 88
3.5.5 锁相调频器 89
3.5.6 锁相调相器 90
3.6 小结 90
第4章 载波同步的FPGA实现 91
4.1 载波同步的原理 92
4.1.1 载波同步的概念及实现方法 92
4.1.2 锁相环的工作方式 93
4.2 锁相环路的数字化模型 94
4.2.1 数字鉴相器 94
4.2.2 数字环路滤波器 95
4.2.3 数字控制振荡器 96
4.2.4 数字环路的动态方程 97
4.3 输入信号建模与仿真 98
4.3.1 工程实例需求 98
4.3.2 输入信号模型 99
4.3.3 输入信号的MATLAB仿真 100
4.4 载波同步环的参数设计 103
4.4.1 总体性能参数设计 104
4.4.2 数字鉴相器设计 105
4.4.3 环路滤波器及数控振荡器设计 108
4.5 载波同步环的FPGA实现 110
4.5.1 顶层模块的Verilog HDL实现 110
4.5.2 IIR低通滤波器的Verilog HDL实现 113
4.5.3 环路滤波器的Verilog HDL实现 118
4.5.4 同步环路的FPGA实现 119
4.6 载波同步环的仿真测试 120
4.6.1 测试激励的Verilog HDL设计 120
4.6.2 单载波输入信号的仿真测试 122
4.6.3 调幅波输入信号的仿真测试 126
4.6.4 关于载波环路参数的讨论 129
4.7 小结 130
第5章 抑制载波同步的FPGA实现 133
5.1 抑制载波同步的原理 134
5.1.1 平方环工作原理 134
5.1.2 同相正交环工作原理 135
5.1.3 判决反馈环工作原理 136
5.2 输入信号建模与仿真 138
5.2.1 工程实例需求 138
5.2.2 DPSK调制原理及信号特征 138
5.2.3 DPSK信号传输模型及仿真 139
5.3 平方环的FPGA实现 141
5.3.1 改进的平方环原理 141
5.3.2 环路性能参数设计 142
5.3.3 带通滤波器设计 143
5.3.4 顶层模块的Verilog HDL实现 145
5.3.5 带通滤波器的Verilog HDL实现 148
5.3.6 低通滤波器的Verilog HDL实现 152
5.3.7 FPGA实现后的仿真测试 154
5.4 同相正交环的FPGA实现 156
5.4.1 环路性能参数设计 156
5.4.2 低通滤波器Verilog HDL实现 157
5.4.3 其他模块的Verilog HDL实现 159
5.4.4 顶层模块的Verilog HDL实现 160
5.4.5 FPGA实现后的仿真测试 163
5.4.6 同相支路的判决及码型变换 165
5.5 判决反馈环的FPGA实现 167
5.5.1 环路性能参数设计 167
5.5.2 顶层模块的Verilog HDL实现 168
5.5.3 积分判决模块的Verilog HDL实现 171
5.5.4 FPGA实现后的仿真测试 174
5.6 小结 175
第6章 自动频率控制的FPGA实现 177
6.1 自动频率控制的概念 178
6.2 最大似然频偏估计的FPGA实现 179
6.2.1 最大似然频偏估计的原理 179
6.2.2 最大似然频偏估计的MATLAB仿真 180
6.2.3 频偏估计的FPGA实现方法 183
6.3 基于FFT载频估计的FPGA实现 185
6.3.1 离散傅里叶变换 185
6.3.2 FFT算法原理及MATLAB仿真 187
6.3.3 FFT核的使用 190
6.3.4 输入信号建模与MATLAB仿真 193
6.3.5 基于FFT载频估计的Verilog HDL实现 194
6.3.6 FPGA实现及仿真测试 198
6.4 FSK信号调制解调原理 199
6.4.1 数字频率调制 199
6.4.2 FSK信号的MATLAB仿真 201
6.4.3 FSK相干解调原理 204
6.4.4 AFC环解调FSK信号的原理 205
6.5 AFC环的FPGA实现 207
6.5.1 环路参数设计 207
6.5.2 顶层模块的Verilog HDL实现 209
6.5.3 鉴频器模块的Verilog HDL实现 213
6.5.4 FPGA实现及仿真测试 214
6.6 小结 215
第7章 位同步技术的FPGA实现 217
7.1 位同步的概念及实现方法 218
7.1.1 位同步的概念 218
7.1.2 滤波法提取位同步 219
7.1.3 数字锁相环位同步法 220
7.2 微分型位同步的FPGA实现 222
7.2.1 微分型位同步的原理 222
7.2.2 顶层模块的Verilog HDL实现 223
7.2.3 双相时钟信号的Verilog HDL实现 225
7.2.4 微分鉴相模块的Verilog HDL实现 227
7.2.5 单稳触发器的Verilog HDL实现 229
7.2.6 控制及分频模块的Verilog HDL实现 231
7.2.7 位同步形成及移相模块的Verilog HDL实现 232
7.2.8 FPGA实现及仿真测试 234
7.3 积分型位同步的FPGA实现 237
7.3.1 积分型位同步的原理 237
7.3.2 顶层模块的Verilog HDL实现 239
7.3.3 积分模块的Verilog HDL实现 242
7.3.4 鉴相模块的Verilog HDL实现 243
7.3.5 FPGA实现及仿真测试 244
7.4 改进位同步技术的FPGA实现 246
7.4.1 正交支路积分输出门限判决法 246
7.4.2 数字式滤波器法的工作原理 248
7.4.3 随机徘徊滤波器的Verilog HDL实现 249
7.4.4 随机徘徊滤波器的仿真测试 250
7.4.5 改进的数字滤波器工作原理 251
7.4.6 改进滤波器的Verilog HDL实现 252
7.5 小结 254
第8章 帧同步技术的FPGA实现 255
8.1 异步传输与同步传输的概念 256
8.1.1 异步传输的概念 256
8.1.2 同步传输的概念 257
8.1.3 异步传输与同步传输的区别 257
8.2 起止式同步的FPGA实现 258
8.2.1 RS-232串口通信
1.1 数字通信中的同步技术 2
1.2 同步技术的实现方法 4
1.2.1 两种不同的实现原理 4
1.2.2 常用的工程实现途径 5
1.3 FPGA概念及其在信号处理中的应用 6
1.3.1 基本概念及发展历程 6
1.3.2 FPGA的结构和工作原理 8
1.3.3 FPGA在数字信号处理中的应用 15
1.4 Altera器件简介 16
1.5 Verilog HDL语言简介 18
1.5.1 HDL语言简介 18
1.5.2 Verilog HDL语言特点 19
1.5.3 Verilog HDL程序结构 20
1.6 FPGA开发工具及设计流程 21
1.6.1 Quartus II开发套件 21
1.6.2 ModelSim仿真软件 25
1.6.3 FPGA设计流程 27
1.7 MATLAB软件 29
1.7.1 MATLAB软件介绍 29
1.7.2 MATLAB工作界面 29
1.7.3 MATLAB的特点及优势 30
1.7.4 MATLAB与Quartus的数据交互 32
1.8 小结 33
第2章 FPGA实现数字信号处理基础 35
2.1 FPGA中数的表示 36
2.1.1 莱布尼兹与二进制 36
2.1.2 定点数表示 37
2.1.3 浮点数表示 38
2.2 FPGA中数的运算 41
2.2.1 加/减法运算 41
2.2.2 乘法运算 44
2.2.3 除法运算 46
2.2.4 有效数据位的计算 46
2.3 有限字长效应 49
2.3.1 字长效应的产生因素 49
2.3.2 A/D转换器的字长效应 49
2.3.3 系统运算中的字长效应 51
2.4 FPGA中的常用处理模块 53
2.4.1 加法器模块 53
2.4.2 乘法器模块 55
2.4.3 除法器模块 58
2.4.4 浮点运算模块 59
2.4.5 滤波器模块 60
2.5 小结 63
第3章 锁相技术原理及应用 65
3.1 锁相环的工作原理 66
3.1.1 锁相环路的模型 66
3.1.2 锁定与跟踪的概念 67
3.1.3 环路的基本性能要求 68
3.2 锁相环的组成 69
3.2.1 鉴相器 69
3.2.2 环路滤波器 70
3.2.3 压控振荡器 71
3.3 锁相环路的动态方程 71
3.3.1 非线性相位模型 71
3.3.2 线性相位模型 73
3.3.3 环路的传递函数 74
3.4 锁相环路的性能分析 76
3.4.1 暂态信号响应 76
3.4.2 环路的频率响应 78
3.4.3 环路的稳定性 80
3.4.4 非线性跟踪性能 82
3.4.5 环路的捕获性能 83
3.4.6 环路的噪声性能 85
3.5 锁相环路的应用 87
3.5.1 环路的两种跟踪状态 87
3.5.2 调频解调器 87
3.5.3 调相解调器 88
3.5.4 调幅信号的相干解调 88
3.5.5 锁相调频器 89
3.5.6 锁相调相器 90
3.6 小结 90
第4章 载波同步的FPGA实现 91
4.1 载波同步的原理 92
4.1.1 载波同步的概念及实现方法 92
4.1.2 锁相环的工作方式 93
4.2 锁相环路的数字化模型 94
4.2.1 数字鉴相器 94
4.2.2 数字环路滤波器 95
4.2.3 数字控制振荡器 96
4.2.4 数字环路的动态方程 97
4.3 输入信号建模与仿真 98
4.3.1 工程实例需求 98
4.3.2 输入信号模型 99
4.3.3 输入信号的MATLAB仿真 100
4.4 载波同步环的参数设计 103
4.4.1 总体性能参数设计 104
4.4.2 数字鉴相器设计 105
4.4.3 环路滤波器及数控振荡器设计 108
4.5 载波同步环的FPGA实现 110
4.5.1 顶层模块的Verilog HDL实现 110
4.5.2 IIR低通滤波器的Verilog HDL实现 113
4.5.3 环路滤波器的Verilog HDL实现 118
4.5.4 同步环路的FPGA实现 119
4.6 载波同步环的仿真测试 120
4.6.1 测试激励的Verilog HDL设计 120
4.6.2 单载波输入信号的仿真测试 122
4.6.3 调幅波输入信号的仿真测试 126
4.6.4 关于载波环路参数的讨论 129
4.7 小结 130
第5章 抑制载波同步的FPGA实现 133
5.1 抑制载波同步的原理 134
5.1.1 平方环工作原理 134
5.1.2 同相正交环工作原理 135
5.1.3 判决反馈环工作原理 136
5.2 输入信号建模与仿真 138
5.2.1 工程实例需求 138
5.2.2 DPSK调制原理及信号特征 138
5.2.3 DPSK信号传输模型及仿真 139
5.3 平方环的FPGA实现 141
5.3.1 改进的平方环原理 141
5.3.2 环路性能参数设计 142
5.3.3 带通滤波器设计 143
5.3.4 顶层模块的Verilog HDL实现 145
5.3.5 带通滤波器的Verilog HDL实现 148
5.3.6 低通滤波器的Verilog HDL实现 152
5.3.7 FPGA实现后的仿真测试 154
5.4 同相正交环的FPGA实现 156
5.4.1 环路性能参数设计 156
5.4.2 低通滤波器Verilog HDL实现 157
5.4.3 其他模块的Verilog HDL实现 159
5.4.4 顶层模块的Verilog HDL实现 160
5.4.5 FPGA实现后的仿真测试 163
5.4.6 同相支路的判决及码型变换 165
5.5 判决反馈环的FPGA实现 167
5.5.1 环路性能参数设计 167
5.5.2 顶层模块的Verilog HDL实现 168
5.5.3 积分判决模块的Verilog HDL实现 171
5.5.4 FPGA实现后的仿真测试 174
5.6 小结 175
第6章 自动频率控制的FPGA实现 177
6.1 自动频率控制的概念 178
6.2 最大似然频偏估计的FPGA实现 179
6.2.1 最大似然频偏估计的原理 179
6.2.2 最大似然频偏估计的MATLAB仿真 180
6.2.3 频偏估计的FPGA实现方法 183
6.3 基于FFT载频估计的FPGA实现 185
6.3.1 离散傅里叶变换 185
6.3.2 FFT算法原理及MATLAB仿真 187
6.3.3 FFT核的使用 190
6.3.4 输入信号建模与MATLAB仿真 193
6.3.5 基于FFT载频估计的Verilog HDL实现 194
6.3.6 FPGA实现及仿真测试 198
6.4 FSK信号调制解调原理 199
6.4.1 数字频率调制 199
6.4.2 FSK信号的MATLAB仿真 201
6.4.3 FSK相干解调原理 204
6.4.4 AFC环解调FSK信号的原理 205
6.5 AFC环的FPGA实现 207
6.5.1 环路参数设计 207
6.5.2 顶层模块的Verilog HDL实现 209
6.5.3 鉴频器模块的Verilog HDL实现 213
6.5.4 FPGA实现及仿真测试 214
6.6 小结 215
第7章 位同步技术的FPGA实现 217
7.1 位同步的概念及实现方法 218
7.1.1 位同步的概念 218
7.1.2 滤波法提取位同步 219
7.1.3 数字锁相环位同步法 220
7.2 微分型位同步的FPGA实现 222
7.2.1 微分型位同步的原理 222
7.2.2 顶层模块的Verilog HDL实现 223
7.2.3 双相时钟信号的Verilog HDL实现 225
7.2.4 微分鉴相模块的Verilog HDL实现 227
7.2.5 单稳触发器的Verilog HDL实现 229
7.2.6 控制及分频模块的Verilog HDL实现 231
7.2.7 位同步形成及移相模块的Verilog HDL实现 232
7.2.8 FPGA实现及仿真测试 234
7.3 积分型位同步的FPGA实现 237
7.3.1 积分型位同步的原理 237
7.3.2 顶层模块的Verilog HDL实现 239
7.3.3 积分模块的Verilog HDL实现 242
7.3.4 鉴相模块的Verilog HDL实现 243
7.3.5 FPGA实现及仿真测试 244
7.4 改进位同步技术的FPGA实现 246
7.4.1 正交支路积分输出门限判决法 246
7.4.2 数字式滤波器法的工作原理 248
7.4.3 随机徘徊滤波器的Verilog HDL实现 249
7.4.4 随机徘徊滤波器的仿真测试 250
7.4.5 改进的数字滤波器工作原理 251
7.4.6 改进滤波器的Verilog HDL实现 252
7.5 小结 254
第8章 帧同步技术的FPGA实现 255
8.1 异步传输与同步传输的概念 256
8.1.1 异步传输的概念 256
8.1.2 同步传输的概念 257
8.1.3 异步传输与同步传输的区别 257
8.2 起止式同步的FPGA实现 258
8.2.1 RS-232串口通信
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