数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现

通常来讲，一名电子通信专业的技术人员，在从业之初都会遇到类似的困惑：如何将教材中所学的理论与实际中的工程设计结合起来？如何能够将这些教材中的理论转换成实际的电路？绝大多数数字通信类教材对通信的原理讲解十分透彻，但理论与实践之间显然需要有一些可以顺利通过的桥梁。一个常用的方法是通过采用MATLAB等工具进行软件仿真来加深对理论的理解，但更好的方法显然是直接参与工程的设计与实现。FPGA技术因其快速的并行运算能力，以及独特的组成结构，在电子通信领域已成为必不可少的实现平台之一。杜勇编著的《数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现(附光盘)》的目的正是架起这样一座桥梁，通过具体的设计实例，详细讲解从理论到工程实现的方法、步骤和过程，以便于工程技术人员尽快掌握和利用FPGA平台实现通信同步技术的方法。 

本书以Xilinx公司的FPGA为开发平台，采用MATLAB及VHDL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、方法以及仿真测试过程，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，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VHDL实例工程代码，有利于工程技术人员学习参考。

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 14
1.4 Xilinx器件简介 15
1.4.1 Xilinx器件概况 15
1.4.2 Spartan系列器件 17
1.4.3 Virtex系列器件 18
1.5 设计语言及环境简介 19
1.5.1 VHDL语言 19
1.5.2 ISE环境及综合仿真工具 22
1.5.3 FPGA设计流程 28
1.5.4 MATLAB软件 31
1.5.5 MATLAB与ISE的数据交互 34
1.6 小结 35
第2章 FPGA实现数字信号处理基础 37
2.1 FPGA中数的表示 38
2.1.1 莱布尼兹与二进制 38
2.1.2 定点数表示 39
2.1.3 浮点数表示 40
2.2 FPGA中数的运算 43
2.2.1 加/减法运算 43
2.2.2 乘法运算 46
2.2.3 除法运算 48
2.2.4 有效数据位的计算 49
2.3 有限字长效应 51
2.3.1 字长效应的产生因素 51
2.3.2 A/D变换的字长效应 52
2.3.3 系统运算中的字长效应 53
2.4 FPGA中的常用处理模块 55
2.4.1 乘法器模块 55
2.4.2 除法器模块 60
2.4.3 浮点运算模块 62
2.4.4 滤波器模块 64
2.4.5 数字频率器模块 67
2.5 小结 68
第3章 锁相技术原理及应用 71
3.1 锁相环的工作原理 72
3.1.1 锁相环路的模型 72
3.1.2 锁定与跟踪的概念 73
3.1.3 环路的基本性能要求 74
3.2 锁相环的组成 75
3.2.1 鉴相器 75
3.2.2 环路滤波器 76
3.2.3 压控振荡器 77
3.3 锁相环路的动态方程 77
3.3.1 非线性相位模型 77
3.3.2 线性相位模型 79
3.3.3 环路的传递函数 80
3.4 锁相环路的性能分析 82
3.4.1 暂态信号响应 82
3.4.2 环路的频率响应 84
3.4.3 环路的稳定性 86
3.4.4 非线性跟踪性能 87
3.4.5 环路的捕获性能 89
3.4.6 环路的噪声性能 90
3.5 锁相环路的应用 92
3.5.1 环路的两种跟踪状态 92
3.5.2 调频解调器 93
3.5.3 调相解调器 94
3.5.4 调幅信号的相干解调 94
3.5.5 锁相调频器 95
3.5.6 锁相调相器 95
3.6 小结 96
第4章 载波同步的FPGA实现 97
4.1 载波同步的原理 98
4.1.1 载波同步的概念及实现方法 98
4.1.2 锁相环的工作方式 99
4.2 锁相环路的数字化模型 100
4.2.1 数字鉴相器 100
4.2.2 数字环路滤波器 101
4.2.3 数字控制振荡器 102
4.2.4 数字环路的动态方程 103
4.3 输入信号建模与仿真 104
4.3.1 工程实例需求 104
4.3.2 输入信号模型 105
4.3.3 输入信号的MATLAB仿真 107
4.4 载波同步环的参数设计 109
4.4.1 总体性能参数设计 110
4.4.2 数字鉴相器设计 111
4.4.3 环路滤波器及数控振荡器设计 114
4.5 载波同步环的FPGA实现 116
4.5.1 顶层模块的VHDL实现 116
4.5.2 IIR低通滤波器的VHDL实现 119
4.5.3 环路滤波器的VHDL实现 123
4.5.4 同步环路的FPGA实现 125
4.6 载波同步环的仿真测试 126
4.6.1 测试激励的VHDL设计 126
4.6.2 单载波输入信号的仿真测试 129
4.6.3 调幅波输入信号的仿真测试 133
4.6.4 关于载波环路参数的讨论 136
4.7 小结 138
第5章 抑制载波同步的FPGA实现 139
5.1 抑制载波同步的原理 140
5.1.1 平方环工作原理 140
5.1.2 同相正交环工作原理 141
5.1.3 判决反馈环工作原理 142
5.2 输入信号建模与仿真 144
5.2.1 工程实例需求 144
5.2.2 DPSK调制原理及信号特征 144
5.2.3 DPSK信号传输模型及仿真 145
5.3 平方环的FPGA实现 147
5.3.1 改进的平方环原理 147
5.3.2 环路性能参数设计 148
5.3.3 带通滤波器设计 149
5.3.4 顶层模块的VHDL实现 151
5.3.5 带通滤波器的VHDL实现 155
5.3.6 其他模块的VHDL实现 159
5.3.7 FPGA实现后的仿真测试 160
5.4 同相正交环的FPGA实现 162
5.4.1 环路性能参数设计 162
5.4.2 低通滤波器VHDL实现 163
5.4.3 其他模块的VHDL实现 165
5.4.4 顶层模块的VHDL实现 165
5.4.5 FPGA实现后的仿真测试 168
5.4.6 同相支路的判决及码型变换 169
5.5 判决反馈环的FPGA实现 171
5.5.1 环路性能参数设计 171
5.5.2 顶层模块的VHDL实现 172
5.5.3 积分判决模块的VHDL实现 176
5.5.4 FPGA实现后的仿真测试 178
5.6 小结 179
第6章 自动频率控制的FPGA实现 181
6.1 自动频率控制的概念 182
6.2 最大似然频偏估计的FPGA实现 183
6.2.1 最大似然频偏估计的原理 183
6.2.2 最大似然频偏估计的MATLAB仿真 185
6.2.3 频偏估计的FPGA实现方法 187
6.2.4 CORDIC核的使用 189
6.2.5 顶层文件的VHDL实现 192
6.2.6 频偏估计模块的VHDL实现 195
6.2.7 FPGA实现及仿真测试 198
6.3 基于FFT载频估计的FPGA实现 200
6.3.1 离散傅里叶变换 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 输入信号建模与MATLAB仿真 207
6.3.5 基于FFT载频估计的VHDL实现 208
6.3.6 FPGA实现及仿真测试 211
6.4 FSK信号调制解调原理 212
6.4.1 数字频率调制 213
6.4.2 FSK信号的MATLAB仿真 214
6.4.3 FSK相干解调原理 217
6.4.4 AFC环解调FSK信号的原理 218
6.5 AFC环的FPGA实现 220
6.5.1 环路参数设计 220
6.5.2 顶层模块的VHDL实现 222
6.5.3 鉴频器模块的VHDL实现 225
6.5.4 FPGA实现及仿真测试 226
6.6 小结 227
第7章 位同步技术的FPGA实现 229
7.1 位同步的概念及实现方法 230
7.1.1 位同步的概念 230
7.1.2 滤波法提取位同步 231
7.1.3 数字锁相环位同步法 232
7.2 微分型位同步的FPGA实现 234
7.2.1 微分型位同步的原理 234
7.2.2 顶层模块的VHDL实现 235
7.2.3 双相时钟信号的VHDL实现 238
7.2.4 微分鉴相模块的VHDL实现 240
7.2.5 单稳触发器的VHDL实现 241
7.2.6 控制及分频模块的VHDL实现 243
7.2.7 位同步形成及移相模块的VHDL实现 244
7.2.8 FPGA实现及仿真测试 246
7.3 积分型位同步的FPGA实现 248
7.3.1 积分型位同步的原理 248
7.3.2 顶层模块的VHDL实现 250
7.3.3 积分模块的VHDL实现 254
7.3.4 鉴相模块的VHDL实现 255
7.3.5 FPGA实现及仿真测试 256
7.4 改进位同步技术的FPGA实现 258
7.4.1 正交支路积分输出门限判决法 258
7.4.2 数字式滤波器法的工作原理 260
7.4.3 随机徘徊滤波器的VHDL实现 260
7.4.4 随机徘徊滤波器的仿真测试 262
7.4.5 改进的数字滤波器工作原理 263
7.4.6 改进滤波器的VHDL实现 264
7.5 小结 266
第8章 帧同步技术的FPGA实现 267
8.1 异步传输与同步传输的概念 268
8.1.1 异步传输的概念 268
8.1.2 同步传输的概念 269
8.1.3 异步传输与同步传输的区别 269
8.2 起止式同步的FPGA实现 270
8.2.1 RS-232串口通信协议 270
8.2.2 顶层模块的VHDL实现 272
8.2.3 时钟模块的VHDL实现 274
8.2.4 数据接收模块的VHDL实现 276
8.2.5 数据发送模块的VHDL实现 278
8.2.6 FPGA实现及仿真测试 280
8.3 帧同步码组及其检测原理 283
8.3.1 帧同步码组的选择 283
8.3.2 间隔式插入法的检测原理 284
8.3.3 连贯式插入法的检测原理 285
8.3.4 帧同步的几种状态 286
8.4 连贯式插入法帧同步的FPGA实现 287
8.4.1 实例要求及总体模块设计 287
8.4.2 搜索模块的VHDL实现及仿真 290
8.4.3 校核模块的VHDL实现及仿真 293
8.4.4 同步模块的VHDL实现及仿真 298
8.4.5 帧同步系统的FPGA实现及仿真 303
8.5 小结 304
参考文献 305