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第1章 数字通信及FPGA概述1

1.1 数字通信系统概述2

1.1.1 数字通信的一般处理流程2

1.1.2 本书讨论的通信系统模型4

1.1.3 数字通信的特点及优势5

1.1.4 数字通信的发展概述7

1.2 数字通信中的几个基本概念9

1.2.1 与频谱相关的概念9

1.2.2 带宽是如何定义的12

1.2.3 采样与频谱搬移15

1.2.4 噪声与信噪比19

1.3 FPGA的基础知识21

1.3.1 从晶体管到FPGA21

1.3.2 FPGA的发展趋势24

1.3.3 FPGA的组成结构26

1.3.4 FPGA的工作原理30

1.4 FPGA与其他处理平台的比较31

1.4.1 ASIC、DSP及ARM的特点32

1.4.2 FPGA的特点及优势33

1.5 Xilinx器件简介34

1.5.1 Xilinx器件概况34

1.5.2 Spartan系列器件36

1.5.3 Virtex系列器件37

1.6 FPGA信号处理板CXD30139

1.7 小结40

参考文献40

第2章 设计语言及环境介绍43

2.1 HDL语言简介44

2.1.1 HDL语言的特点及优势44

2.1.2 选择VHDL还是Verilog45

2.2 VHDL语言基础46

2.2.1 程序结构47

2.2.2 数据类型49

2.2.3 数据对象52

2.2.4 运算符52

2.2.5 VHDL语句57

2.3 FPGA开发工具及设计流程63

2.3.1 ISE开发套件63

2.3.2 ModelSim仿真软件67

2.3.3 Synplicity综合软件69

2.3.4 FPGA设计流程70

2.4 MATLAB软件72

2.4.1 MATLAB软件简介72

2.4.2 常用的信号处理函数75

2.5 MATLAB与ISE的数据交换81

2.6 小结82

参考文献82

第3章 FPGA实现数字信号处理基础83

3.1 FPGA中数的表示84

3.1.1 莱布尼兹与二进制84

3.1.2 定点数表示85

3.1.3 浮点数表示86

3.2 FPGA中数的运算89

3.2.1 加／减法运算89

3.2.2 乘法运算92

3.2.3 除法运算94

3.2.4 有效数据位的计算95

3.3 有限字长效应97

3.3.1 字长效应的产生因素97

3.3.2 A/D转换的字长效应98

3.3.3 系统运算中的字长效应99

3.4 FPGA中的常用处理模块101

3.4.1 乘法器模块101

3.4.2 除法器模块106

3.4.3 浮点运算模块109

3.4.4 滤波器模块111

3.4.5 数字频率器模块113

3.5 小结115

参考文献116

第4章 滤波器的MATLAB与FPGA实现117

4.1 滤波器概述118

4.1.1 滤波器的分类118

4.1.2 滤波器的特征参数120

4.2 FIR与IIR滤波器的原理120

4.2.1 FIR滤波器原理120

4.2.2 IIR滤波器原理122

4.2.3 IIR与FIR滤波器的比较122

4.3 FIR滤波器的MATLAB设计123

4.3.1 采用fir1函数设计123

4.3.2 采用kaiserord函数设计126

4.3.3 采用fir2函数设计126

4.3.4 采用firpm函数设计128

4.4 IIR滤波器的MATLAB设计130

4.4.1 采用butter函数设计130

4.4.2 采用cheby1函数设计131

4.4.3 采用cheby2函数设计132

4.4.4 采用ellip函数设计132

4.4.5 采用yulewalk函数设计133

4.4.6 几种设计函数的比较133

4.5 滤波器设计分析工具135

4.6 FIR滤波器的FPGA实现136

4.6.1 量化滤波器系数136

4.6.2 FIR滤波器的实现结构138

4.6.3 采用IP核实现FIR滤波器142

4.6.4 MATLAB仿真测试数据148

4.6.5 测试激励的VHDL设计149

4.6.6 FPGA实现后的仿真测试151

4.7 IIR滤波器的FPGA实现152

4.7.1 IIR滤波器的结构形式152

4.7.2 量化级联型结构的系数155

4.7.3 级联型结构的FPGA实现158

4.7.4 FPGA实现后的测试仿真162

4.8 滤波器的板载测试162

4.8.1 硬件接口电路162

4.8.2 板载测试程序163

4.8.3 板载测试验证169

4.9 小结170

参考文献170

第5章 ASK调制解调技术的实现171

5.1 ASK信号的调制解调原理172

5.1.1 二进制振幅调制信号的产生172

5.1.2 二进制振幅调制信号的解调173

5.1.3 二进制振幅调制系统的性能175

5.1.4 多进制振幅调制175

5.2 ASK调制信号的MATLAB仿真176

5.3 ASK调制信号的FPGA实现179

5.3.1 FPGA实现模型及参数说明179

5.3.2 ASK调制信号的VHDL设计181

5.3.3 FPGA实现后的仿真测试182

5.4 ASK解调技术的MATLAB仿真184

5.5 ASK解调技术的FPGA实现186

5.5.1 FPGA实现模型及参数说明186

5.5.2 ASK信号解调的VHDL设计186

5.5.3 FPGA实现后的仿真测试188

5.6 符号判决门限的FPGA实现190

5.6.1 确定ASK解调后的判决门限190

5.6.2 判决门限模块的VHDL设计191

5.6.3 FPGA实现后的仿真测试193

5.7 锁相环位同步技术的FPGA实现194

5.7.1 位同步技术的工作原理194

5.7.2 位同步顶层模块的VHDL设计196

5.7.3 双相时钟信号的VHDL设计198

5.7.4 鉴相模块的VHDL设计199

5.7.5 控制模块的VHDL设计201

5.7.6 分频模块的VHDL设计203

5.7.7 FPGA实现后的仿真测试204

5.8 ASK解调系统的FPGA实现及仿真204

5.8.1 完整解调系统的VHDL设计204

5.8.2 完整系统的仿真测试207

5.9 ASK调制解调的板载测试209

5.9.1 硬件接口电路209

5.9.2 板载测试程序209

5.9.3 板载测试验证214

5.10 小结215

参考文献215

第6章 FSK调制解调技术的实现217

6.1 FSK信号的调制解调原理218

6.1.1 FSK信号的时域表示218

6.1.2 相关系数与频谱特性219

6.1.3 非相干解调原理221

6.1.4 相干解调原理222

6.1.5 解调方法的应用条件分析224

6.2 FSK调制解调的MATLAB仿真225

6.2.1 不同调制度的FSK信号仿真225

6.2.2 非相干解调FSK仿真226

6.2.3 相干解调FSK仿真231

6.3 FSK调制信号的FPGA实现234

6.3.1 FSK信号的产生方法234

6.3.2 FSK调制信号的VHDL设计235

6.3.3 FPGA实现后的仿真测试237

6.4 FSK解调的FPGA实现238

6.4.1 解调模型及参数设计238

6.4.2 解调FSK信号的VHDL设计239

6.4.3 FPGA实现后的仿真测试243

6.5 MSK信号产生原理246

6.5.1 MSK信号时域特征246

6.5.2 MSK信号频谱特性246

6.5.3 MSK信号的产生方法248

6.6 MSK调制信号的FPGA实现249

6.6.1 实例参数及模型设计249

6.6.2 MSK调制信号的VHDL设计及仿真250

6.7 MSK解调原理255

6.7.1 延迟差分解调255

6.7.2 平方环相干解调257

6.8 MSK解调的MATLAB仿真258

6.8.1 仿真模型及参数说明258

6.8.2 平方环解调MSK的MATLAB仿真258

6.9 平方环的FPGA实现261

6.9.1 锁相环的工作原理261

6.9.2 平方环的工作原理264

6.9.3 平方环路性能参数设计265

6.9.4 平方环的VHDL设计268

6.9.5 FPGA实现后的仿真测试272

6.10 MSK解调的FPGA实现273

6.10.1 MSK解调环路参数设计273

6.10.2 顶层模块的VHDL设计275

6.10.3 脉冲成形及解调模块的VHDL设计279

6.10.4 FPGA实现后的仿真测试281

6.11 MSK调制解调的板载测试283

6.11.1 硬件接口电路283

6.11.2 板载测试程序283

6.11.3 板载测试验证287

6.12 小结288

参考文献289

第7章 PSK调制解调技术的实现291

7.1 DPSK信号的调制解调原理292

7.1.1 DPSK信号的调制原理292

7.1.2 Costas环解调DPSK信号293

7.1.3 DPSK调制解调的MATLAB仿真295

7.2 DPSK解调的FPGA实现298

7.2.1 环路性能参数设计298

7.2.2 Costas环的VHDL设计300

7.2.3 FPGA实现后的仿真测试303

7.3 DQPSK信号的调制解调原理303

7.3.1 QPSK信号的调制原理303

7.3.2 双比特码元差分编解码原理305

7.3.3 DQPSK信号解调原理306

7.3.4 DQPSK调制解调的MATLAB仿真309

7.4 DQPSK调制信号的FPGA实现313

7.4.1 差分编／解码的VHDL设计313

7.4.2 DQPSK调制信号的VHDL设计316

7.5 DQPSK解调的FPGA实现321

7.5.1 极性Costas环的VHDL设计321

7.5.2 FPGA实现后的仿真测试326

7.5.3 调整跟踪策略获取良好的跟踪性能327

7.5.4 完整的DQPSK解调系统设计328

7.5.5 DQPSK解调系统的仿真测试331

7.6 π/4 QPSK调制解调原理332

7.6.1 π/4 QPSK信号的调制原理332

7.6.2 匹配滤波器与成形滤波器334

7.6.3 π/4 QPSK信号的差分解调原理339

7.6.4 π/4 QPSK调制解调的MATLAB仿真340

7.7 π/4 QPSK调制解调的FPGA实现344

7.7.1 基带编码的VHDL设计344

7.7.2 差分解调的VHDL设计346

7.7.3 FPGA实现后的仿真测试351

7.8 PSK调制解调电路的板载测试352

7.8.1 Costas环电路的板载测试352

7.8.2 DQPSK电路的板载测试359

7.9 小结360

参考文献361

第8章 QAM调制解调技术的FPGA实现363

8.1 QAM信号的调制解调原理364

8.1.1 QAM调制解调系统组成364

8.1.2 差分编码与星座映射365

8.1.3 QAM调制解调的MATLAB仿真367

8.2 QAM编／解码的FPGA实现371

8.2.1 编码映射的VHDL设计371

8.2.2 解码模块的VHDL设计373

8.2.3 FPGA实现后的仿真测试375

8.3 QAM载波同步的FPGA实现375

8.3.1 QAM载波同步原理375

8.3.2 极性判决法载波同步的FPGA实现378

8.3.3 DD算法载波同步的FPGA实现383

8.4 插值算法位同步技术原理390

8.4.1 位同步技术分类及组成390

8.4.2 内插滤波器原理及结构392

8.4.3 Gardner误差检测算法394

8.4.4 环路滤波器与数控振荡器395

8.5 插值算法位同步技术的MATLAB仿真396

8.5.1 设计环路滤波器系数397

8.5.2 分析位定时算法MATLAB仿真程序397

8.5.3 完整的QAM位定时算法仿真402

8.6 插值算法位同步技术的FPGA实现403

8.6.1 顶层模块的VHDL设计403

8.6.2 插值滤波模块的VHDL设计406

8.6.3 误差检测及环路滤波器模块的VHDL设计408

8.6.4 数控振荡器模块的VHDL设计411

8.6.5 FPGA实现后的仿真测试412

8.7 插值算法位同步电路的板载测试417

8.7.1 硬件接口电路417

8.7.2 板载测试程序418

8.7.3 板载测试验证421

8.8 小结422

参考文献423

第9章 扩频调制解调技术的FPGA实现425

9.1 扩频通信的基本原理426

9.1.1 扩频通信的概念426

9.1.2 扩频通信的种类427

9.1.3 直扩系统工作原理429

9.2 直扩调制信号MATLAB仿真431

9.2.1 伪码序列的产生原理431

9.2.2 MATLAB仿真直扩调制信号432

9.3 直扩信号调制的FPGA实现436

9.3.1 伪码模块的VHDL设计436

9.3.2 扩频调制模块的VHDL设计437

9.4 伪码同步的一般原理440

9.4.1 滑动相关捕获原理441

9.4.2 延迟锁相环跟踪原理442

9.5 伪码同步算法设计及仿真443

9.5.1 同步算法设计443

9.5.2 捕获及跟踪门限的MATLAB仿真445

9.6 伪码同步的FPGA实现447

9.6.1 顶层模块的VHDL设计447

9.6.2 伪码产生模块的VHDL设计451

9.6.3 相关积分模块的VHDL设计453

9.6.4 伪码相位调整模块的VHDL设计454

9.6.5 FPGA实现后的仿真测试456

9.7 直扩解调系统的FPGA实现458

9.7.1 Costas载波环的VHDL设计458

9.7.2 FPGA实现后的仿真测试463

9.8 直扩调制解调的板载测试465

9.8.1 硬件接口电路465

9.8.2 板载测试程序466

9.8.3 板载测试验证472

9.9 小结473

参考文献473