鎖相環技術原理及FPGA實現

《鎖相環技術原理及FPGA實現》是2016年電子工業出版社出版的圖書，作者是杜勇。

基本介紹

• 中文名：鎖相環技術原理及FPGA實現
• 作者：杜勇
• 出版社：電子工業出版社
• 出版時間：2016年05月
• 頁數：292 頁
• 定價：68 元 
• 開本：16 開
• ISBN：9787121287381

內容簡介

本書從工程套用的角度詳細闡述鎖相環技術的工作原理，利用MATLAB及System View仿真工具軟體討論典型電路的工作過程。以Altera公司的FPGA為開發平台，以Verilog HDL語言為開發工具，詳細闡述鎖相環技術的FPGA實現原理、結構、方法，以及仿真測試過程和具體技術細節，主要包括設計平台及開發環境介紹、鎖相環跟蹤相位的原理、FPGA實現數位訊號處理基礎、鎖相環路模型、一階環路的FPGA實現、環路濾波器與鎖相環特性、二階環路的FPGA實現、鎖相環路性能分析、鎖相測速測距的FPGA實現。

目錄

第1章 設計環境及開發平台介紹 1

1.1 FPGA基礎知識 2

1.1.1 基本概念及發展歷程 2

1.1.2 FPGA的結構和工作原理 4

1.1.3 FPGA在數位訊號處理中的套用 12

1.2 Altera器件簡介 12

1.3 Verilog HDL語言簡介 15

1.3.1 HDL語言簡介 15

1.3.2 Verilog HDL語言特點 16

1.3.3 Verilog HDL程式結構 17

1.4 Quartus II開發套件 18

1.4.1 Quartus II開發套件簡介 18

1.4.2 Quartus II軟體的用戶界面 19

1.5 ModelSim仿真軟體 22

1.6 MATLAB軟體 24

1.6.1 MATLAB軟體介紹 24

1.6.2 MATLAB工作界面 24

1.6.3 MATLAB的特點及優勢 25

1.6.4 MATLAB與Quartus的數據互動 27

1.7 SystemView軟體 28

1.7.1 SystemView簡介 28

1.7.2 SystemView工作界面 29

1.8 小結—欲善其事先利其器 32

第2章 FPGA數位訊號處理基礎 33

2.1 FPGA中數的表示 34

2.1.1 萊布尼茲與二進制 34

2.1.2 定點數表示 35

2.1.3 浮點數表示 36

2.2 FPGA中數的運算 40

2.2.1 加/減法運算 40

2.2.2 乘法運算 43

2.2.3 除法運算 44

2.2.4 有效數據位的計算 44

2.3 有限字長效應 47

2.3.1 字長效應的產生因素 47

2.3.2 A/D轉換的字長效應 48

2.3.3 系統運算中的字長效應 49

2.4 FPGA中的常用處理模組 51

2.4.1 加法器模組 51

2.4.2 乘法器模組 53

2.4.3 除法器模組 56

2.4.4 浮點運算模組 57

2.5 小結—四個過橋人 59

第3章 鎖相環為什麼能夠跟蹤相位 61

3.1 鎖相環的組成 62

3.1.1 關注信號的相位分量 62

3.1.2 VCO是一個積分器件 63

3.1.3 正弦鑒相器還是餘弦鑒相器 65

3.1.4 環路濾波器的作用 68

3.2 從負反饋電路理解鎖相環 69

3.2.1 反饋電路的概念 69

3.2.2 負反饋電路的控制作用 70

3.2.3 鎖相環與基本負反饋電路的區別 71

3.2.4 分析鎖相環的工作狀態 72

3.3 最簡單的鎖相環 73

3.3.1 一階鎖相環的SystemView模型 73

3.3.2 確定VCO輸出的同相支路 74

3.4 鎖相環的基本性能參數 77

3.4.1 捕獲及跟蹤過程 77

3.4.2 環路的基本性能要求 78

3.5 分析一階環的基本參數 79

3.5.1 數學方法求解一階環 79

3.5.2 圖解法分析一階環工作過程 81

3.5.3 工程設計與理論分析的差異 82

3.5.4 遺忘的參數——鑒相濾波器截止頻率 85

3.6 小結——千條路與磨豆腐 87

第4章 一階鎖相環的FPGA實現 89

4.1 一階環的數位化模型 90

4.1.1 工程實例需求 90

4.1.2 數字鑒相器 91

4.1.3 數控振盪器 92

4.1.4 計算環路增益 94

4.2 數字鑒相濾波器設計 95

4.2.1 FIR與IIR濾波器 95

4.2.2 MATLAB濾波器函式 97

4.2.3 FIR濾波器的MATLAB設計 100

4.2.4 量化濾波器係數 102

4.3 Verilog HDL代碼風格 105

4.3.1 檔案接口聲明 105

4.3.2 變數的命名方式 106

4.3.3 模組對齊方式 106

4.3.4 阻塞賦值和非阻塞賦值 107

4.3.5 注釋語句 107

4.4 一階環的Verilog HDL設計 108

4.4.1 新建FPGA工程 108

4.4.2 數字乘法器設計 110

4.4.3 低通濾波器設計 112

4.4.4 數控振盪器設計 115

4.4.5 頂層檔案設計 115

4.5 一階環的ModelSim仿真測試 119

4.5.1 MATLAB生成測試數據 119

4.5.2 編寫測試激勵檔案 120

4.5.3 環路為什麼不能鎖定 122

4.5.4 繼續仿真分析環路性能 125

4.6 小結—科學的方法 127

第5章 從線性方程到環路模型 129

5.1 線性時不變系統 130

5.1.1 線性系統的概念 130

5.1.2 時不變系統的概念 132

5.1.3 為什麼研究線性時不變系統 132

5.2 信號的線性分解 133

5.2.1 信號的常用分解方法 133

5.2.2 分析的化身—歐拉 135

5.2.3 “e”是一個函式的極限 137

5.2.4 泰勒、麥克勞林與牛頓 139

5.2.5 上帝創造的公式—歐拉公式 141

5.3 從傅立葉級數到Z變換 142

5.3.1 溫室效應的發現者—傅立葉 142

5.3.2 傅立葉級數是一篇美妙的樂章 143

5.3.3 負頻率信號是什麼信號？ 147

5.3.4 傅氏變換與拉氏變換 151

5.3.5 Z變換—離散時間系統分析工具 153

5.3.6 如何判斷系統是否穩定 156

5.4 鎖相環路的模型 158

5.5 小結—賈伯斯的演講 160

第6章 環路濾波器決定鎖相環特性 163

6.1 最簡單的環路濾波器—RC濾波器 164

6.1.1 RC低通濾波器的頻率特性 164

6.1.2 二階環路的傳輸函式 166

6.2 回顧二階線性電路 167

6.2.1 二階線性電路與鎖相環 167

6.2.2 固有振盪頻率與阻尼係數 168

6.2.3 單位階躍信號的回響分析 169

6.3 RC濾波器二階環的SystemView仿真 172

6.3.1 RC濾波器鎖相環路模型 172

6.3.2 鎖定狀態與阻尼係數的仿真 174

6.4 反饋環路的穩定性分析 177

6.4.1 系統穩定與鎖相環穩定的關係 177

6.4.2 頻率特性與環路的穩定性關係 177

6.4.3 伯德圖分析方法 179

6.4.4 伯德圖分析RC二階環路的穩定性 180

6.4.5 二階環路的相位滯後是如何產生的 181

6.4.6 鑒相濾波器的影響 182

6.5 無源比例積分濾波器 184

6.5.1 頻率特性 184

6.5.2 環路的傳輸函式 185

6.5.3 環路穩定性分析及參數設計 186

6.5.4 環路的SystemView仿真 188

6.6 有源比例積分濾波器 189

6.6.1 頻率特性 189

6.6.2 環路的傳輸函式 191

6.6.3 環路穩定性分析及參數設計 193

6.6.4 環路的SystemView仿真 194

6.6.5 為什麼穩態相差可以為零 196

6.7 小結—世界上最容易的事 198

第7章 二階環的FPGA實現 199

7.1 依據模擬環設計數字環 200

7.1.1 從模擬到數字——雙線性變換 200

7.1.2 環路濾波器的數位化 202

7.1.3 理想二階環的參數設計 203

7.1.4 理想二階環的Verilog HDL設計 205

7.2 FPGA實現後的仿真測試 208

7.2.1 環路增益對鎖定性能的影響 208

7.2.2 頻差對鎖定性能的影響 210

7.2.3 環路捕獲範圍測試 211

7.3 理想二階環的數位化 213

7.3.1 NCO的數位化模型 213

7.3.2 環路的數位化模型 214

7.4 模擬與數字環路的關聯 215

7.4.1 確定環路濾波器係數 215

7.4.2 增益與環路濾波器係數的關係 216

7.4.3 兩種係數計算方法比較 216

7.5 小結—芝諾與莊子的哲學 217

第8章 鎖相環的性能分析 219

8.1 捕獲性能 220

8.1.1 捕獲過程 220

8.1.2 捕獲帶與捕獲時間 221

8.1.3 輔助捕獲方法 222

8.2 跟蹤性能 224

8.2.1 環路的穩態相差 224

8.2.2 環路的頻率特性 225

8.2.3 調製跟蹤與載波跟蹤 228

8.2.4 兩種跟蹤方式的SystemView仿真 229

8.3 噪聲性能 237

8.3.1 噪聲情況下的環路模型 237

8.3.2 輸出相位噪聲方差 240

8.3.3 環路噪聲頻寬 241

8.3.4 環路信噪比 242

8.4 理想二階環設計公式 244

8.5 小結—興趣是最好的老師 245

第9章 鎖相環解調PSK信號的FPGA實現 247

9.1 PSK調製解調原理 248

9.1.1 PSK調製原理及信號特徵 248

9.1.2 PSK信號的MATLAB仿真 249

9.1.3 鎖相環解調PSK原理 252

9.2 鎖相環路解調參數設計 254

9.2.1 總體性能參數設計 254

9.2.2 下變頻乘法器設計 256

9.2.3 下變頻低通濾波器設計 257

9.2.4 鑒相乘法器設計 259

9.2.5 數控振盪器設計 260

9.2.6 環路濾波器設計 261

9.3 鎖相解調環的Verilog設計 262

9.3.1 頂層檔案的Verilog設計 262

9.3.2 鑒相器的Verilog設計 264

9.3.3 環路濾波器的Verilog設計 265

9.4 鎖相解調環的仿真測試 266

9.4.1 環路捕獲範圍測試 266

9.4.2 NCO更新周期對環路增益的影響 267

9.5 小結—漁王的兒子 272

參考文獻 274