數字通信同步技術的MATLAB與FPGA實現（含CD光碟1張）

內容簡介

本書以Xilinx公司的FPGA為開發平台，採用MATLAB及VHDL語言遙旬旋為開發工具，詳細闡述數字通信同步技術的FPGA實現原理、結構、方法以及仿真測試過程，並通過大量工程實例分析FPGA實現過程中的具體技術細節。主要包括FPGA實現數位訊號處理基礎、鎖相環技術原理、載波同步、自動頻率控制、位同步、幀同步技術的設計與實現等內容。本書思路清晰、語言流暢、分析透徹，在簡明闡述設計原理的基礎上，追求對工程實踐的指導性，力求使讀者在較短的時間內掌握數字通信同步技術的FPGA設計知識和技能。本書的配套光碟收錄了完整的MATLAB及VHDL實例工程代碼，有利於工程技術人員學習參考。

圖書目錄

第1章同步技術的概念及FPGA基礎1

1.1 數字通信中的同步技術2

1.2 同步技術的實現方法4

1.2.1 兩種不同的實現原理4

1.2.2 常用的工程實現途徑5

1.3 FPGA概念及其在信號處理中的套用6

1.3.1 基本概念及發展歷程6

1.3.2 FPGA的結構和工作原理8

1.3.3 FPGA在數位訊號處理中的套用14

1.4 Xilinx器件簡介15

1.4.1 Xilinx器件概況15

1.4.2 Spartan系列器件17

1.4.3 Virtex系列器件18

1.5 設計語言及環境簡介19

1.5.1 VHDL語言19

1.5.2 ISE環境及綜合仿真工具22

1.5.3 FPGA設計流程28

1.5.4 MATLAB軟體31

1.5.5 MATLAB與ISE的數據互動34

1.6 小結35

第2章 FPGA實現數位訊號處理基礎37

2.1 FPGA中數的表示38

2.1.1 萊布尼茲與二進制38

2.1.2 定點數表示39

2.1.3 浮點數表示40

2.2 FPGA中數的運算43

2.2.1 加/減法運算43

2.2.2 乘法運算46

2.2.3 除法運算48

2.2.4 有效數據位的計算49

2.3 有限字長效應51

2.3.1 字長效應的產生因素51

2.3.2 A/D變換的字長效應52

2.3.3 系統運算中的字長效應53

2.4 FPGA中的常用處理模組55

2.4.1 乘法器模組55

2.4.2 除法器模組60

2.4.3 浮點運算模組62

2.4.4 濾波器模組64

2.4.5 數字頻率器模組67

2.5 小結68

第3章鎖相技術原理及套用71

3.1 鎖相環的再檔記葛工作原理72

3.1.1 鎖相環路的模型72

3.1.2 鎖定與跟蹤的概念73

3.1.3 環路的基本性能要求堡燥酷嬸74

3.2 鎖相環的組成75

3.2.1 鑒相器75

3.2.2 環路濾波器76

3.2.3 壓控振盪器77

3.3 鎖相環路的動態方程77

3.3.1 非線性相位模型77

3.3.2 線性相位模型79

3.3.3 環路的傳遞函式80

3.4 鎖相環路的性能分析82

3.4.1 暫態台疊章信號回響82

3.4.2 環路射屑全的頻率回響84

3.4.3 環路的穩定性86

3.4.4 非線性跟蹤性能87

3.4.5 環路的捕獲性能89

3.4.6 環路的噪聲性能90

3.5 鎖相環路的套用92

3.5.1 環路全催的兩種跟蹤狀態92

3.5.2 調頻解調器93

3.5.3 調相解調器94

3.5.4 調幅信號的相干解調94

3.5.5 鎖相調頻器95

3.5.6 鎖相調相器95

3.6 小結96

第4章載波同步的FPGA實現97

4.1 載波同步的原理98

4.1.1 載波同步的戒判籃概念及實現方法98

4.1.2 鎖相環的工作方式99

4.2 鎖相環路的數位化模型100

4.2.1 數字鑒相器100

4.2.2 數字環路濾波器101

4.2.3 數字控制振盪器102

4.2.4 數字環路的動態方程103

4.3 輸入信號建模與仿真104

4.3.1 工程實例需求104

4.3.2 輸入信號模型105

4.3.3 輸入信號的MATLAB仿真107

4.4 載波同步環的參數設計109

4.4.1 總體性能參數設計110

4.4.2 數字鑒相器設計111

4.4.3 環路濾波器及數控振盪器設計114

4.5 載波同步環的FPGA實現116

4.5.1 頂層模組的VHDL實現116

4.5.2 IIR低通濾波器的VHDL實現119

4.5.3 環路濾波器的VHDL實現123

4.5.4 同步環路的FPGA實現125

4.6 載波同步環的仿真測試126

4.6.1 測試激勵的VHDL設計126

4.6.2 單載波輸入信號的仿真測試129

4.6.3 調幅波輸入信號的仿真測試133

4.6.4 關於載波環路參數的討論136

4.7 小結138

第5章抑制載波同步的FPGA實現139

5.1 抑制載波同步的原理140

5.1.1 平方環工作原理140

5.1.2 同相正交環工作原理141

5.1.3 判決反饋環工作原理142

5.2 輸入信號建模與仿真144

5.2.1 工程實例需求144

5.2.2 DPSK調製原理及信號特徵144

5.2.3 DPSK信號傳輸模型及仿真145

5.3 平方環的FPGA實現147

5.3.1 改進的平方環原理147

5.3.2 環路性能參數設計148

5.3.3 帶通濾波器設計149

5.3.4 頂層模組的VHDL實現151

5.3.5 帶通濾波器的VHDL實現155

5.3.6 其他模組的VHDL實現159

5.3.7 FPGA實現後的仿真測試160

5.4 同相正交環的FPGA實現162

5.4.1 環路性能參數設計162

5.4.2 低通濾波器VHDL實現163

5.4.3 其他模組的VHDL實現165

5.4.4 頂層模組的VHDL實現165

5.4.5 FPGA實現後的仿真測試168

5.4.6 同相支路的判決及碼型變換169

5.5 判決反饋環的FPGA實現171

5.5.1 環路性能參數設計171

5.5.2 頂層模組的VHDL實現172

5.5.3 積分判決模組的VHDL實現176

5.5.4 FPGA實現後的仿真測試178

5.6 小結179

第6章自動頻率控制的FPGA實現181

6.1 自動頻率控制的概念182

6.2 最大似然頻偏估計的FPGA實現183

6.2.1 最大似然頻偏估計的原理183

6.2.2 最大似然頻偏估計的MATLAB仿真185

6.2.3 頻偏估計的FPGA實現方法187

6.2.4 CORDIC核的使用189

6.2.5 頂層檔案的VHDL實現192

6.2.6 頻偏估計模組的VHDL實現195

6.2.7 FPGA實現及仿真測試198

6.3 基於FFT載頻估計的FPGA實現200

6.3.1 離散傅立葉變換200

6.3.2 FFT算法原理及MATLAB仿真202

6.3.3 FFT核的使用204

6.3.4 輸入信號建模與MATLAB仿真207

6.3.5 基於FFT載頻估計的VHDL實現208

6.3.6 FPGA實現及仿真測試211

6.4 FSK信號調製解調原理212

6.4.1 數字頻率調製213

6.4.2 FSK信號的MATLAB仿真214

6.4.3 FSK相干解調原理217

6.4.4 AFC環解調FSK信號的原理218

6.5 AFC環的FPGA實現220

6.5.1 環路參數設計220

6.5.2 頂層模組的VHDL實現222

6.5.3 鑒頻器模組的VHDL實現225

6.5.4 FPGA實現及仿真測試226

6.6 小結227

第7章位同步技術的FPGA實現229

7.1 位同步的概念及實現方法230

7.1.1 位同步的概念230

7.1.2 濾波法提取位同步231

7.1.3 數字鎖相環位同步法232

7.2 微分型位同步的FPGA實現234

7.2.1 微分型位同步的原理234

7.2.2 頂層模組的VHDL實現235

7.2.3 雙相時鐘信號的VHDL實現238

7.2.4 微分鑒相模組的VHDL實現240

7.2.5 單穩觸發器的VHDL實現241

7.2.6 控制及分頻模組的VHDL實現243

7.2.7 位同步形成及移相模組的VHDL實現244

7.2.8 FPGA實現及仿真測試246

7.3 積分型位同步的FPGA實現248

7.3.1 積分型位同步的原理248

7.3.2 頂層模組的VHDL實現250

7.3.3 積分模組的VHDL實現254

7.3.4 鑒相模組的VHDL實現255

7.3.5 FPGA實現及仿真測試256

7.4 改進位同步技術的FPGA實現258

7.4.1 正交支路積分輸出門限判決法258

7.4.2 數字式濾波器法的工作原理260

7.4.3 隨機徘徊濾波器的VHDL實現260

7.4.4 隨機徘徊濾波器的仿真測試262

7.4.5 改進的數字濾波器工作原理263

7.4.6 改進濾波器的VHDL實現264

7.5 小結266

第8章幀同步技術的FPGA實現267

8.1 異步傳輸與同步傳輸的概念268

8.1.1 異步傳輸的概念268

8.1.2 同步傳輸的概念269

8.1.3 異步傳輸與同步傳輸的區別269

8.2 起止式同步的FPGA實現270

8.2.1 RS-232串口通信協定270

8.2.2 頂層模組的VHDL實現272

8.2.3 時鐘模組的VHDL實現274

8.2.4 數據接收模組的VHDL實現276

8.2.5 數據傳送模組的VHDL實現278

8.2.6 FPGA實現及仿真測試280

8.3 幀同步碼組及其檢測原理283

8.3.1 幀同步碼組的選擇283

8.3.2 間隔式插入法的檢測原理284

8.3.3 連貫式插入法的檢測原理285

8.3.4 幀同步的幾種狀態286

8.4 連貫式插入法幀同步的FPGA實現287

8.4.1 實例要求及總體模組設計287

8.4.2 搜尋模組的VHDL實現及仿真290

8.4.3 校核模組的VHDL實現及仿真293

8.4.4 同步模組的VHDL實現及仿真298

8.4.5 幀同步系統的FPGA實現及仿真303

8.5 小結304

參考文獻305

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