內容簡介

本書以Xilinx公司的FPGA為開發平颱，采用MATLAB及VHDL語言為開發工具，詳細闡述數字通信調製解調技術的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。主要包括設計語言及環境介紹、FPGA實現數字信號處理基礎、濾波器的FPGA實現、ASK調製解調技術的FPGA實現、FSK調製解調技術的FPGA實現、PSK調製解調技術的FPGA實現、QAM調製解調技術的FPGA實現以及DSSS信號調製解調技術的FPGA實現等內容。

作者簡介

杜勇，四川省廣安市人，高級工程師。1999年於湖南大學獲電子工程專業學士學位，2005年於國防科學技術大學獲信息與通信工程專業碩士學位。主要從事數字信號處理、無綫通信以及FPGA應用技術研究。發錶學術論文十餘篇，齣版數字濾波器的MATLAB與FPGA實現、數字通信同步技術的MATLAB與FPGA實現、數字調製解調技術的MATLAB與FPGA實現、鎖相環技術原理及FPGA實現等多部著作。

目錄

第1章　數字通信及FPGA概述 （1）
1．1　數字通信係統概述 （2）
1．1．1　數字通信的一般處理流程 （2）
1．1．2　本書討論的通信係統模型 （4）
1．1．3　數字通信的特點及優勢 （5）
1．1．4　數字通信的發展概述 （7）
1．2　數字通信中的幾個基本概念 （9）
1．2．1　與頻譜相關的概念 （9）
1．2．2　帶寬是如何定義的 （12）
1．2．3　采樣與頻譜搬移 （15）
1．2．4　噪聲與信噪比 （19）
1．3　FPGA的基礎知識 （21）
1．3．1　從晶體管到FPGA （21）
1．3．2　FPGA的發展趨勢 （24）
1．3．3　FPGA的組成結構 （26）
1．3．4　FPGA的工作原理 （30）
1．4　FPGA與其他處理平颱的比較 （31）
1．4．1　ASIC、DSP及ARM的特點 （32）
1．4．2　FPGA的特點及優勢 （33）
1．5　Xilinx器件簡介 （34）
1．5．1　Xilinx器件概況 （34）
1．5．2　Spartan係列器件 （36）
1．5．3　Virtex係列器件 （37）
1．6　FPGA信號處理闆CXD301 （39）
1．7　小結 （40）
參考文獻 （40）
第2章　設計語言及環境介紹 （43）
2．1　HDL語言簡介 （44）
2．1．1　HDL語言的特點及優勢 （44）
2．1．2　選擇VHDL還是Verilog （45）
2．2　VHDL語言基礎 （46）
2．2．1　程序結構 （47）
2．2．2　數據類型 （49）
2．2．3　數據對象 （52）
2．2．4　運算符 （52）
2．2．5　VHDL語句 （57）
2．3　FPGA開發工具及設計流程 （63）
2．3．1　ISE開發套件 （63）
2．3．2　ModelSim仿真軟件 （67）
2．3．3　Synplicity綜閤軟件 （69）
2．3．4　FPGA設計流程 （70）
2．4　MATLAB軟件 （72）
2．4．1　MATLAB軟件簡介 （72）
2．4．2　常用的信號處理函數 （75）
2．5　MATLAB與ISE的數據交換 （81）
2．6　小結 （82）
參考文獻 （82）
第3章　FPGA實現數字信號處理基礎 （83）
3．1　FPGA中數的錶示 （84）
3．1．1　萊布尼茲與二進製 （84）
3．1．2　定點數錶示 （85）
3．1．3　浮點數錶示 （86）
3．2　FPGA中數的運算 （89）
3．2．1　加/減法運算 （89）
3．2．2　乘法運算 （92）
3．2．3　除法運算 （94）
3．2．4　有效數據位的計算 （95）
3．3　有限字長效應 （97）
3．3．1　字長效應的産生因素 （97）
3．3．2　A/D轉換的字長效應 （98）
3．3．3　係統運算中的字長效應 （99）
3．4　FPGA中的常用處理模塊 （101）
3．4．1　乘法器模塊 （101）
3．4．2　除法器模塊 （106）
3．4．3　浮點運算模塊 （109）
3．4．4　濾波器模塊 （111）
3．4．5　數字頻率器模塊 （113）
3．5　小結 （115）
參考文獻 （116）
第4章　濾波器的MATLAB與FPGA實現 （117）
4．1　濾波器概述 （118）
4．1．1　濾波器的分類 （118）
4．1．2　濾波器的特徵參數 （120）
4．2　FIR與IIR濾波器的原理 （120）
4．2．1　FIR濾波器原理 （120）
4．2．2　IIR濾波器原理 （122）
4．2．3　IIR與FIR濾波器的比較 （122）
4．3　FIR濾波器的MATLAB設計 （123）
4．3．1　采用fir1函數設計 （123）
4．3．2　采用kaiserord函數設計 （126）
4．3．3　采用fir2函數設計 （126）
4．3．4　采用firpm函數設計 （128）
4．4　IIR濾波器的MATLAB設計 （130）
4．4．1　采用butter函數設計 （130）
4．4．2　采用cheby1函數設計 （131）
4．4．3　采用cheby2函數設計 （132）
4．4．4　采用ellip函數設計 （132）
4．4．5　采用yulewalk函數設計 （133）
4．4．6　幾種設計函數的比較 （133）
4．5　濾波器設計分析工具 （135）
4．6　FIR濾波器的FPGA實現 （136）
4．6．1　量化濾波器係數 （136）
4．6．2　FIR濾波器的實現結構 （138）
4．6．3　采用IP核實現FIR濾波器 （142）
4．6．4　MATLAB仿真測試數據 （148）
4．6．5　測試激勵的VHDL設計 （149）
4．6．6　FPGA實現後的仿真測試 （151）
4．7　IIR濾波器的FPGA實現 （152）
4．7．1　IIR濾波器的結構形式 （152）
4．7．2　量化級聯型結構的係數 （155）
4．7．3　級聯型結構的FPGA實現 （158）
4．7．4　FPGA實現後的測試仿真 （162）
4．8　濾波器的闆載測試 （162）
4．8．1　硬件接口電路 （162）
4．8．2　闆載測試程序 （163）
4．8．3　闆載測試驗證 （169）
4．9　小結 （170）
參考文獻 （170）
第5章　ASK調製解調技術的實現 （171）
5．1　ASK信號的調製解調原理 （172）
5．1．1　二進製振幅調製信號的産生 （172）
5．1．2　二進製振幅調製信號的解調 （173）
5．1．3　二進製振幅調製係統的性能 （175）
5．1．4　多進製振幅調製 （175）
5．2　ASK調製信號的MATLAB仿真 （176）
5．3　ASK調製信號的FPGA實現 （179）
5．3．1　FPGA實現模型及參數說明 （179）
5．3．2　ASK調製信號的VHDL設計 （181）
5．3．3　FPGA實現後的仿真測試 （182）
5．4　ASK解調技術的MATLAB仿真 （184）
5．5　ASK解調技術的FPGA實現 （186）
5．5．1　FPGA實現模型及參數說明 （186）
5．5．2　ASK信號解調的VHDL設計 （186）
5．5．3　FPGA實現後的仿真測試 （188）
5．6　符號判決門限的FPGA實現 （190）
5．6．1　確定ASK解調後的判決門限 （190）
5．6．2　判決門限模塊的VHDL設計 （191）
5．6．3　FPGA實現後的仿真測試 （193）
5．7　鎖相環位同步技術的FPGA實現 （194）
5．7．1　位同步技術的工作原理 （194）
5．7．2　位同步頂層模塊的VHDL設計 （196）
5．7．3　雙相時鍾信號的VHDL設計 （198）
5．7．4　鑒相模塊的VHDL設計 （199）
5．7．5　控製模塊的VHDL設計 （201）
5．7．6　分頻模塊的VHDL設計 （203）
5．7．7　FPGA實現後的仿真測試 （204）
5．8　ASK解調係統的FPGA實現及仿真 （204）
5．8．1　完整解調係統的VHDL設計 （204）
5．8．2　完整係統的仿真測試 （207）
5．9　ASK調製解調的闆載測試 （209）
5．9．1　硬件接口電路 （209）
5．9．2　闆載測試程序 （209）
5．9．3　闆載測試驗證 （214）
5．10　小結 （215）
參考文獻 （215）
第6章　FSK調製解調技術的實現 （217）
6．1　FSK信號的調製解調原理 （218）
6．1．1　FSK信號的時域錶示 （218）
6．1．2　相關係數與頻譜特性 （219）
6．1．3　非相乾解調原理 （221）
6．1．4　相乾解調原理 （222）
6．1．5　解調方法的應用條件分析 （224）
6．2　FSK調製解調的MATLAB仿真 （225）
6．2．1　不同調製度的FSK信號仿真 （225）
6．2．2　非相乾解調FSK仿真 （226）
6．2．3　相乾解調FSK仿真 （231）
6．3　FSK調製信號的FPGA實現 （234）
6．3．1　FSK信號的産生方法 （234）
6．3．2　FSK調製信號的VHDL設計 （235）
6．3．3　FPGA實現後的仿真測試 （237）
6．4　FSK解調的FPGA實現 （238）
6．4．1　解調模型及參數設計 （238）
6．4．2　解調FSK信號的VHDL設計 （239）
6．4．3　FPGA實現後的仿真測試 （243）
6．5　MSK信號産生原理 （246）
6．5．1　MSK信號時域特徵 （246）
6．5．2　MSK信號頻譜特性 （246）
6．5．3　MSK信號的産生方法 （248）
6．6　MSK調製信號的FPGA實現 （249）
6．6．1　實例參數及模型設計 （249）
6．6．2　MSK調製信號的VHDL設計及仿真 （250）
6．7　MSK解調原理 （255）
6．7．1　延遲差分解調 （255）
6．7．2　平方環相乾解調 （257）
6．8　MSK解調的MATLAB仿真 （258）
6．8．1　仿真模型及參數說明 （258）
6．8．2　平方環解調MSK的MATLAB仿真 （258）
6．9　平方環的FPGA實現 （261）
6．9．1　鎖相環的工作原理 （261）
6．9．2　平方環的工作原理 （264）
6．9．3　平方環路性能參數設計 （265）
6．9．4　平方環的VHDL設計 （268）
6．9．5　FPGA實現後的仿真測試 （272）
6．10　MSK解調的FPGA實現 （273）
6．10．1　MSK解調環路參數設計 （273）
6．10．2　頂層模塊的VHDL設計 （275）
6．10．3　脈衝成形及解調模塊的VHDL設計 （279）
6．10．4　FPGA實現後的仿真測試 （281）
6．11　MSK調製解調的闆載測試 （283）
6．11．1　硬件接口電路 （283）
6．11．2　闆載測試程序 （283）
6．11．3　闆載測試驗證 （287）
6．12　小結 （288）
參考文獻 （289）
第7章　PSK調製解調技術的實現 （291）
7．1　DPSK信號的調製解調原理 （292）
7．1．1　DPSK信號的調製原理 （292）
7．1．2　Costas環解調DPSK信號 （293）
7．1．3　DPSK調製解調的MATLAB仿真 （295）
7．2　DPSK解調的FPGA實現 （298）
7．2．1　環路性能參數設計 （298）
7．2．2　Costas環的VHDL設計 （300）
7．2．3　FPGA實現後的仿真測試 （303）
7．3　DQPSK信號的調製解調原理 （303）
7．3．1　QPSK信號的調製原理 （303）
7．3．2　雙比特碼元差分編解碼原理 （305）
7．3．3　DQPSK信號解調原理 （306）
7．3．4　DQPSK調製解調的MATLAB仿真 （309）
7．4　DQPSK調製信號的FPGA實現 （313）
7．4．1　差分編/解碼的VHDL設計 （313）
7．4．2　DQPSK調製信號的VHDL設計 （316）
7．5　DQPSK解調的FPGA實現 （321）
7．5．1　極性Costas環的VHDL設計 （321）
7．5．2　FPGA實現後的仿真測試 （326）
7．5．3　調整跟蹤策略獲取良好的跟蹤性能 （327）
7．5．4　完整的DQPSK解調係統設計 （328）
7．5．5　DQPSK解調係統的仿真測試 （331）
7．6　?/4 QPSK調製解調原理 （332）
7．6．1　?/4 QPSK信號的調製原理 （332）
7．6．2　匹配濾波器與成形濾波器 （334）
7．6．3　?/4 QPSK信號的差分解調原理 （339）
7．6．4　?/4 QPSK調製解調的MATLAB仿真 （340）
7．7　?/4 QPSK調製解調的FPGA實現 （344）
7．7．1　基帶編碼的VHDL設計 （344）
7．7．2　差分解調的VHDL設計 （346）
7．7．3　FPGA實現後的仿真測試 （351）
7．8　PSK調製解調電路的闆載測試 （352）
7．8．1　Costas環電路的闆載測試 （352）
7．8．2　DQPSK電路的闆載測試 （359）
7．8　小結 （360）
參考文獻 （361）
第8章　QAM調製解調技術的FPGA實現 （363）
8．1　QAM信號的調製解調原理 （364）
8．1．1　QAM調製解調係統組成 （364）
8．1．2　差分編碼與星座映射 （365）
8．1．3　QAM調製解調的MATLAB仿真 （367）
8．2　QAM編/解碼的FPGA實現 （371）
8．2．1　編碼映射的VHDL設計 （371）
8．2．2　解碼模塊的VHDL設計 （373）
8．2．3　FPGA實現後的仿真測試 （375）
8．3　QAM載波同步的FPGA實現 （375）
8．3．1　QAM載波同步原理 （375）
8．3．2　極性判決法載波同步的FPGA實現 （378）
8．3．3　DD算法載波同步的FPGA實現 （383）
8．4　插值算法位同步技術原理 （390）
8．4．1　位同步技術分類及組成 （390）
8．4．2　內插濾波器原理及結構 （392）
8．4．3　Gardner誤差檢測算法 （394）
8．4．4　環路濾波器與數控振蕩器 （395）
8．5　插值算法位同步技術的MATLAB仿真 （396）
8．5．1　設計環路濾波器係數 （397）
8．5．2　分析位定時算法MATLAB仿真程序 （397）
8．5．3　完整的QAM位定時算法仿真 （402）
8．6　插值算法位同步技術的FPGA實現 （403）
8．6．1　頂層模塊的VHDL設計 （403）
8．6．2　插值濾波模塊的VHDL設計 （406）
8．6．3　誤差檢測及環路濾波器模塊的VHDL設計 （408）
8．6．4　數控振蕩器模塊的VHDL設計 （411）
8．6．5　FPGA實現後的仿真測試 （412）
8．7　插值算法位同步電路的闆載測試 （417）
8．7．1　硬件接口電路 （417）
8．7．2　闆載測試程序 （418）
8．7．3　闆載測試驗證 （421）
8．8　小結 （422）
參考文獻 （423）
第9章　擴頻調製解調技術的FPGA實現 （425）
9．1　擴頻通信的基本原理 （426）
9．1．1　擴頻通信的概念 （426）
9．1．2　擴頻通信的種類 （427）
9．1．3　直擴係統工作原理 （429）
9．2　直擴調製信號MATLAB仿真 （431）
9．2．1　僞碼序列的産生原理 （431）
9．2．2　MATLAB仿真直擴調製信號 （432）
9．3　直擴信號調製的FPGA實現 （436）
9．3．1　僞碼模塊的VHDL設計 （436）
9．3．2　擴頻調製模塊的VHDL設計 （437）
9．4　僞碼同步的一般原理 （440）
9．4．1　滑動相關捕獲原理 （441）
9．4．2　延遲鎖相環跟蹤原理 （442）
9．5　僞碼同步算法設計及仿真 （443）
9．5．1　同步算法設計 （443）
9．5．2　捕獲及跟蹤門限的MATLAB仿真 （445）
9．6　僞碼同步的FPGA實現 （447）
9．6．1　頂層模塊的VHDL設計 （447）
9．6．2　僞碼産生模塊的VHDL設計 （451）
9．6．3　相關積分模塊的VHDL設計 （453）
9．6．4　僞碼相位調整模塊的VHDL設計 （454）
9．6．5　FPGA實現後的仿真測試 （456）
9．7　直擴解調係統的FPGA實現 （458）
9．7．1　Costas載波環的VHDL設計 （458）
9．7．2　FPGA實現後的仿真測試 （463）
9．８　直擴調製解調的闆載測試 （465）
9．8．1　硬件接口電路 （465）
9．8．2　闆載測試程序 （466）
9．8．3　闆載測試驗證 （472）
9．9　小結 （473）
參考文獻 （473）

前言/序言

為什麼要寫這本書

為什麼要寫這本書？或者說，為什麼要寫數字通信的MATLAB與FPGA實現技術相關內容的書？記得幾年前電子工業齣版社首次齣版《數字濾波器的MATLAB與FPGA實現》一書時，我在前言中提到寫作的原因主要有三條：其一，是FPGA技術在電子通信領域得到瞭越來越廣泛的應用，並已逐漸成為電子産品實現的首選方案；其二，是國內市場上專門討論如何采用FPGA實現數字通信技術的書籍相對欠缺；其三，是數字通信技術本身十分復雜，關鍵技術較多，在一本書中全麵介紹數字通信技術的FPGA實現難免有所遺漏，且內容難以翔實。因此，根據作者的從業經驗，將數字通信技術的關鍵技術大緻分為濾波器技術、同步技術和解調技術三種，並嘗試著先寫濾波器技術，再逐漸完成其他兩項關鍵技術的寫作。在廣大讀者的支持和鼓勵下，總算完成瞭《數字通信同步技術的MATLAB與FPGA實現》、《數字調製解調技術的MATLAB與FPGA實現》兩本書。後來又根據讀者的反饋要求，先後齣版瞭數字濾波器、數字通信同步技術、數字調製解調技術幾本書的Altera/Verilog版，以及專門討論鎖相環技術的《鎖相環技術原理及FPGA實現》。

數字通信的MATLAB與FPGA實現的係列著作齣版後，陸續通過郵件或博客的方式收到廣大讀者的反饋意見。一些讀者直接通過郵件 數字調製解調技術的MATLAB與FPGA實現 Xilinx/VHDL版 下載 mobi epub pdf txt 電子書