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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7

1.3.3 FPGA在数字信号处理中的应用13

1.4 Xilinx器件简介14

1.4.1 Xilinx器件概况14

1.4.2 Spartan系列器件16

1.4.3 Virtex系列器件17

1.5 VHDL语言简介19

1.6 FPGA设计工具及开发流程22

1.6.1 ISE开发套件22

1.6.2 ModelSim仿真软件25

1.6.3 Synplicity综合软件27

1.6.4 FPGA设计流程29

1.7 MATLAB软件31

1.8 MATLAB与ISE的数据交互34

1.9 FPGA信号处理板CXD30135

1.1 0小结36

第2章 FPGA实现数字信号处理基础39

2.1 FPGA中数的表示40

2.1.1 莱布尼兹与二进制40

2.1.2 定点数表示41

2.1.3 浮点数表示42

2.2 FPGA中数的运算45

2.2.1 加／减法运算45

2.2.2 乘法运算48

2.2.3 除法运算50

2.2.4 有效数据位的计算51

2.3 有限字长效应54

2.3.1 字长效应的产生因素54

2.3.2 A/D变换的字长效应54

2.3.3 系统运算中的字长效应55

2.4 FPGA中的常用处理模块57

2.4.1 加法器模块57

2.4.2 乘法器模块60

2.4.3 除法器模块65

2.4.4 浮点运算模块68

2.4.5 滤波器模块70

2.4.6 数字频率器模块72

2.5 小结74

第3章 锁相技术原理及应用75

3.1 锁相环的工作原理76

3.1.1 锁相环路的模型76

3.1.2 锁定与跟踪的概念77

3.1.3 环路的基本性能要求78

3.2 锁相环的组成78

3.2.1 鉴相器79

3.2.2 环路滤波器79

3.2.3 压控振荡器81

3.3 锁相环路的动态方程81

3.3.1 非线性相位模型81

3.3.2 线性相位模型83

3.3.3 环路的传递函数83

3.4 锁相环路的性能分析85

3.4.1 暂态信号响应85

3.4.2 环路的频率响应87

3.4.3 环路的稳定性89

3.4.4 非线性跟踪性能91

3.4.5 环路的捕获性能92

3.4.6 环路的噪声性能93

3.5 锁相环路的应用95

3.5.1 环路的两种跟踪状态95

3.5.2 调频解调器96

3.5.3 调相解调器97

3.5.4 调幅信号的相干解调97

3.5.5 锁相调频器98

3.5.6 锁相调相器98

3.6 小结99

第4章 载波同步的FPGA实现101

4.1 载波同步的原理102

4.1.1 载波同步的概念及实现方法102

4.1.2 锁相环的工作方式103

4.2 锁相环路的数字化模型104

4.2.1 数字鉴相器104

4.2.2 数字环路滤波器105

4.2.3 数字控制振荡器106

4.2.4 数字环路的动态方程106

4.3 输入信号建模与仿真108

4.3.1 工程实例需求108

4.3.2 输入信号模型109

4.3.3 输入信号的MATLAB仿真110

4.4 载波同步环的参数设计113

4.4.1 总体性能参数设计113

4.4.2 数字鉴相器设计114

4.4.3 环路滤波器及数控振荡器设计117

4.5 载波同步环的FPGA实现119

4.5.1 顶层模块的VHDL实现119

4.5.2 IIR低通滤波器的VHDL实现123

4.5.3 环路滤波器的VHDL实现127

4.5.4 同步环路的FPGA实现129

4.6 载波同步环的仿真测试131

4.6.1 测试激励的VHDL设计131

4.6.2 单载波输入信号的仿真测试134

4.6.3 调幅波输入信号的仿真测试138

4.6.4 关于载波环路参数的讨论141

4.7 载波同步环的板载测试143

4.7.1 硬件接口电路143

4.7.2 板载测试程序143

4.7.3 板载测试验证147

4.8 小结148

第5章 抑制载波同步的FPGA实现149

5.1 抑制载波同步的原理150

5.1.1 平方环工作原理150

5.1.2 同相正交环工作原理151

5.1.3 判决反馈环工作原理152

5.2 输入信号建模与仿真154

5.2.1 工程实例需求154

5.2.2 DPSK调制原理及信号特征154

5.2.3 DPSK信号传输模型及仿真155

5.3 平方环的FPGA实现157

5.3.1 改进的平方环原理157

5.3.2 环路性能参数设计158

5.3.3 带通滤波器设计159

5.3.4 顶层模块的VHDL实现161

5.3.5 带通滤波器的VHDL实现165

5.3.6 其他模块的VHDL实现171

5.3.7 FPGA实现后的仿真测试171

5.3.8 平方环的板载实验173

5.4 同相正交环的FPGA实现176

5.4.1 环路性能参数设计176

5.4.2 低通滤波器VHDL实现177

5.4.3 其他模块的VHDL实现179

5.4.4 顶层模块的VHDL实现179

5.4.5 FPGA实现后的仿真测试182

5.4.6 同相支路的判决及码型变换184

5.4.7 同相正交环的板载实验186

5.5 判决反馈环的FPGA实现191

5.5.1 环路性能参数设计191

5.5.2 顶层模块的VHDL实现191

5.5.3 积分判决模块的VHDL实现195

5.5.4 FPGA实现后的仿真测试198

5.6 小结199

第6章 自动频率控制的FPGA实现201

6.1 自动频率控制的概念202

6.2 最大似然频偏估计的FPGA实现203

6.2.1 最大似然频偏估计的原理［1］203

6.2.2 最大似然频偏估计的MATLAB仿真205

6.2.3 频偏估计的FPGA实现方法207

6.2.4 CORDIC核的使用209

6.2.5 顶层文件的VHDL实现212

6.2.6 频偏估计模块的VHDL实现216

6.2.7 FPGA实现及仿真测试220

6.3 基于FFT载频估计的FPGA实现221

6.3.1 离散傅里叶变换221

6.3.2 FFT算法原理及MATLAB仿真223

6.3.3 FFT核的使用226

6.3.4 输入信号建模与MATLAB仿真228

6.3.5 基于FFT载频估计的VHDL实现229

6.3.6 FPGA实现及仿真测试233

6.4 FSK信号调制解调原理234

6.4.1 数字频率调制234

6.4.2 FSK信号的MATLAB仿真236

6.4.3 FSK相干解调原理238

6.4.4 AFC环解调FSK信号的原理240

6.5 AFC环的FPGA实现242

6.5.1 环路参数设计242

6.5.2 顶层模块的VHDL实现244

6.5.3 鉴频器模块的VHDL实现248

6.5.4 FPGA实现及仿真测试249

6.5.5 AFC环的板载测试250

6.6 小结254

第7章 位同步技术的FPGA实现255

7.1 锁相环位同步技术原理256

7.1.1 位同步技术概念及分类256

7.1.2 数字锁相环位同步技术257

7.2 微分型位同步的FPGA实现259

7.2.1 微分型位同步的原理259

7.2.2 顶层模块的VHDL实现261

7.2.3 双相时钟信号的VHDL实现264

7.2.4 微分鉴相模块的VHDL实现266

7.2.5 单稳触发器的VHDL实现267

7.2.6 控制及分频模块的VHDL实现269

7.2.7 位同步形成及移相模块的VHDL实现270

7.2.8 FPGA实现及仿真测试272

7.2.9 微分型位同步环的板载实验274

7.3 积分型位同步的FPGA实现276

7.3.1 积分型位同步的原理276

7.3.2 顶层模块的VHDL实现278

7.3.3 积分模块的VHDL实现282

7.3.4 鉴相模块的VHDL实现283

7.3.5 FPGA实现及仿真测试284

7.4 改进位同步技术的FPGA实现286

7.4.1 正交支路积分输出门限判决法286

7.4.2 数字式滤波器法的工作原理288

7.4.3 随机徘徊滤波器的VHDL实现288

7.4.4 随机徘徊滤波器的仿真测试290

7.4.5 改进的数字滤波器工作原理291

7.4.6 改进滤波器的VHDL实现292

7.5 小结294

第8章 插值算法位同步技术的FPGA实现295

8.1 插值算法位同步技术原理296

8.1.1 插值算法总体结构296

8.1.2 内插滤波器原理及结构296

8.1.3 Gardner误差检测算法298

8.1.4 环路滤波器与数控振荡器300

8.2 插值算法位同步技术的MATLAB仿真301

8.2.1 设计环路滤波器系数301

8.2.2 分析位定时算法MATLAB仿真程序302

8.2.3 简化后的插值位同步算法仿真306

8.3 插值算法位同步技术的FPGA实现310

8.3.1 顶层模块的VHDL设计310

8.3.2 插值滤波模块的VHDL设计312

8.3.3 误差检测及环路滤波器模块的VHDL设计315

8.3.4 数控振荡器模块的VHDL设计317

8.3.5 FPGA实现后的仿真测试318

8.4 插值算法位同步环的板载测试319

8.4.1 硬件接口电路319

8.4.2 板载测试程序320

8.4.3 板载测试验证320

8.5 小结321

第9章 帧同步技术的FPGA实现323

9.1 异步传输与同步传输的概念324

9.1.1 异步传输的概念324

9.1.2 同步传输的概念325

9.1.3 异步传输与同步传输的区别325

9.2 起止式同步的FPGA实现326

9.2.1 RS-232串口通信协议326

9.2.2 顶层模块的VHDL实现328

9.2.3 时钟模块的VHDL实现330

9.2.4 数据接收模块的VHDL实现331

9.2.5 数据发送模块的VHDL实现334

9.2.6 串口通信的板载测试335

9.3 帧同步码组及其检测原理337

9.3.1 帧同步码组的选择337

9.3.2 间隔式插入法的检测原理339

9.3.3 连贯式插入法的检测原理339

9.3.4 帧同步的几种状态341

9.4 连贯式插入法帧同步的FPGA实现342

9.4.1 实例要求及总体模块设计342

9.4.2 搜索模块的VHDL实现及仿真345

9.4.3 校核模块的VHDL实现及仿真349

9.4.4 同步模块的VHDL实现及仿真353

9.4.5 帧同步系统的FPGA实现及仿真358

9.4.6 帧同步电路的板载测试359

9.5 小结363

参考文献365