数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现 (杜勇)

本书以Altera公司的FPGA器件为开发平台，采用MATLAB及Verilog  HDL语言为开发工具，详细阐述数字调制解调技术的FPGA实现原理、结构、方法和仿真测试过程，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、ASK调制解调、PSK调制解调、FSK调制解调、QAM调制解调，以及扩频通信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调制解调技术的FPGA设计知识和技能。本书的配套光盘收录了完整的MATLAB及Verilog  HDL实例工程代码，有利于工程技术人员参考学习。

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  8

1.2  数字通信中的几个基本概念  10

1.2.1  与频谱相关的概念  10

1.2.2  带宽是如何定义的  13

1.2.3  采样与频谱搬移  16

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FPGA  21

1.3.2  FPGA的发展趋势  25

1.3.3  FPGA的组成结构  26

1.3.4  FPGA的工作原理  31

1.4  FPGA与其他处理平台的比较  33

1.4.1  ASIC、DSP及ARM的特点  33

1.4.2  FPGA的特点及优势  34

1.5  Altera器件简介  35

1.6  小结  37

参考文献  37

第2章  设计语言及环境介绍  39

2.1  HDL语言简介  40

2.1.1  HDL语言的特点及优势  40

2.1.2  选择VHDL还是Verilog  41

2.2  Verilog  HDL语言基础  42

2.2.1  Verilog  HDL语言特点  42

2.2.2  Verilog  HDL程序结构  44

2.3  FPGA开发工具及设计流程  45

2.3.1  Quartus  II开发套件  45

2.3.2  ModelSim仿真软件  49

2.3.3  FPGA设计流程  50

2.4  MATLAB软件  53

2.4.1  MATLAB软件简介  53

2.4.2  常用的信号处理函数  55

2.5  MATLAB与Quartus的数据交换  62

2.6  小结  63

参考文献  63

第3章  FPGA实现数字信号处理基础  65

3.1  FPGA中数的表示  66

3.1.1  莱布尼兹与二进制  66

3.1.2  定点数表示  67

3.1.3  浮点数表示  68

3.2  FPGA中数的运算  71

3.2.1  加/减法运算  71

3.2.2  乘法运算  74

3.2.3  除法运算  75

3.2.4  有效数据位的计算  75

3.3  有限字长效应  78

3.3.1  字长效应的产生因素  78

3.3.2  A/D转换的字长效应  79

3.3.3  系统运算中的字长效应  80

3.4  FPGA中的常用处理模块  82

3.4.1  加法器模块  82

3.4.2  乘法器模块  84

3.4.3  除法器模块  87

3.4.4  浮点运算模块  88

3.5  小结  89

参考文献  90

第4章  滤波器的MATLAB与FPGA实现  91

4.1  滤波器概述  92

4.1.1  滤波器的分类  92

4.1.2  滤波器的特征参数  94

4.2  FIR与IIR滤波器的原理  94

4.2.1  FIR滤波器原理  94

4.2.2  IIR滤波器原理  96

4.2.3  IIR与FIR滤波器的比较  96

4.3  FIR滤波器的MATLAB设计  97

4.3.1  采用fir1函数设计  97

4.3.2  采用kaiserord函数设计  100

4.3.3  采用fir2函数设计  100

4.3.4  采用firpm函数设计  102

4.4  IIR滤波器的MATLAB设计  104

4.4.1  采用butter函数设计  104

4.4.2  采用cheby1函数设计  105

4.4.3  采用cheby2函数设计  106

4.4.4  采用ellip函数设计  106

4.4.5  采用yulewalk函数设计  107

4.4.6  几种设计函数的比较  107

4.5  FIR滤波器的FPGA实现  109

4.5.1  FIR滤波器的实现结构  109

4.5.2  采用IP核实现FIR滤波器  113

4.5.3  MATLAB仿真测试数据  118

4.5.4  测试激励的Verilog  HDL设计  120

4.5.5  FPGA实现后的仿真测试  123

4.6  IIR滤波器的FPGA实现  125

4.6.1  IIR滤波器的结构形式  125

4.6.2  量化级联型结构的系数  127

4.6.3  级联型结构的FPGA实现  130

4.6.4  FPGA实现后的测试仿真  134

4.7  小结  135

参考文献  135

第5章  ASK调制解调技术的实现  137

5.1  ASK信号的调制解调原理  138

5.1.1  二进制振幅调制信号的产生  138

5.1.2  二进制振幅调制信号的解调  139

5.1.3  二进制振幅调制系统的性能  141

5.1.4  多进制振幅调制  142

5.2  ASK调制信号的MATLAB仿真  142

5.3  ASK调制信号的FPGA实现  145

5.3.1  FPGA实现模型及参数说明  145

5.3.2  ASK调制信号的Verilog  HDL设计  147

5.3.3  FPGA实现后的仿真测试  149

5.4  ASK解调技术的MATLAB仿真  150

5.5  ASK解调技术的FPGA实现  152

5.5.1  FPGA实现模型及参数说明  152

5.5.2  ASK信号解调的Verilog  HDL设计  153

5.5.3  FPGA实现后的仿真测试  154

5.6  符号判决门限的FPGA实现  156

5.6.1  确定ASK解调后的判决门限  156

5.6.2  判决门限模块的Verilog  HDL设计  157

5.6.3  FPGA实现后的仿真测试  158

5.7  锁相环位同步技术的FPGA实现  159

5.7.1  位同步技术的工作原理  159

5.7.2  位同步顶层模块的Verilog  HDL设计  162

5.7.3  双相时钟信号的Verilog  HDL实现  164

5.7.4  微分鉴相模块的Verilog  HDL实现  166

5.7.5  单稳触发器的Verilog  HDL实现  168

5.7.6  控制及分频模块的Verilog  HDL实现  169

5.7.7  FPGA实现及仿真测试  171

5.8  ASK解调系统的FPGA实现及仿真  173

5.8.1  完整解调系统的Verilog  HDL设计  173

5.8.2  完整系统的仿真测试  175

5.9  小结  177

参考文献  177

第6章  FSK调制解调技术的实现  179

6.1  FSK信号的调制解调原理  180

6.1.1  FSK信号的时域表示  180

6.1.2  相关系数与频谱特性  181

6.1.3  非相干解调原理  183

6.1.4  相干解调原理  184

6.1.5  解调方法的应用条件分析  186

6.2  FSK调制解调的MATLAB仿真  186

6.2.1  不同调制度的FSK信号仿真  186

6.2.2  非相干解调FSK仿真  188

6.2.3  相干解调FSK仿真  193

6.3  FSK调制信号的FPGA实现  196

6.3.1  FSK信号的产生方法  196

6.3.2  FSK调制信号的Verilog  HDL设计  197

6.3.3  FPGA实现后的仿真测试  198

6.4  FSK解调的FPGA实现  199

6.4.1  解调模型及参数设计  199

6.4.2  解调FSK信号的Verilog  HDL设计  200

6.4.3  FPGA实现后的仿真测试  206

6.5  MSK信号产生原理  208

6.5.1  MSK信号时域特征  208

6.5.2  MSK信号频谱特性  209

6.5.3  MSK信号的产生方法  210

6.6  MSK调制信号的FPGA实现  212

6.6.1  实例参数及模型设计  212

6.6.2  MSK调制信号的Verilog  HDL设计及仿真  213

6.7  MSK解调原理  214

6.7.1  延迟差分解调  214

6.7.2  平方环相干解调  216

6.8  MSK解调的MATLAB仿真  217

6.8.1  仿真模型及参数说明  217

6.8.2  平方环解调MSK的MATLAB仿真  217

6.9  平方环的FPGA实现  220

6.9.1  锁相环的工作原理  220

6.9.2  平方环的工作原理  223

6.9.3  平方环路性能参数设计  224

6.9.4  平方环的Verilog  HDL设计  227

6.9.5  FPGA实现后的仿真测试  231

6.10  MSK解调的FPGA实现  232

6.10.1  MSK解调环路参数设计  232

6.10.2  顶层模块的Verilog  HDL设计  234

6.10.3  脉冲成形及解调模块的Verilog  HDL设计  239

6.10.4  FPGA实现后的仿真测试  242

6.11  小结  243

参考文献  244

第7章  PSK调制解调技术的实现  245

7.1  DPSK信号的调制解调原理  246

7.1.1  DPSK信号的调制原理  246

7.1.2  Costas环解调DPSK信号  247

7.1.3  DPSK调制解调的MATLAB仿真  249

7.2  DPSK解调的FPGA实现  252

7.2.1  环路性能参数设计  252

7.2.2  Costas环的Verilog  HDL设计  254

7.2.3  FPGA实现后的仿真测试  258

7.3  DQPSK信号的调制解调原理  258

7.3.1  QPSK信号的调制原理  258

7.3.2  双比特码元差分编解码原理  260

7.3.3  DQPSK信号解调原理  261

7.3.4  DQPSK调制解调的MATLAB仿真  264

7.4  DQPSK调制信号的FPGA实现  268

7.4.1  差分编/解码的Verilog  HDL设计  268

7.4.2  DQPSK调制信号的Verilog  HDL设计  271

7.5  DQPSK解调的FPGA实现  277

7.5.1  极性Costas环的Verilog  HDL设计  277

7.5.2  FPGA实现后的仿真测试  282

7.5.3  调整跟踪策略获取良好的跟踪性能  283

7.5.4  完整的DQPSK解调系统设计  285

7.5.5  DQPSK解调系统的仿真测试  289

7.6  /4  QPSK调制解调原理  289

7.6.1  /4  QPSK信号的调制原理  289

7.6.2  匹配滤波器与成形滤波器  291

7.6.3  /4  QPSK信号的差分解调原理  297

7.6.4  /4  QPSK调制解调的MATLAB仿真  297

7.7  /4  QPSK调制解调的FPGA实现  301

7.7.1  基带编码的Verilog  HDL设计  301

7.7.2  差分解调的Verilog  HDL设计  305

7.7.3  FPGA实现后的仿真测试  311

7.8  小结  312

参考文献  312

第8章  QAM调制解调技术的FPGA实现  315

8.1  QAM信号的调制解调原理  316

8.1.1  QAM调制解调系统组成  316

8.1.2  差分编码与星座映射  317

8.1.3  QAM调制解调的MATLAB仿真  319

8.2  QAM编/解码的FPGA实现  323

8.2.1  编码映射的Verilog  HDL设计  323

8.2.2  解码模块的Verilog  HDL设计  326

8.2.3  FPGA实现后的仿真测试  328

8.3  QAM载波同步的FPGA实现  328

8.3.1  QAM载波同步原理  329

8.3.2  极性判决法载波同步的FPGA实现  332

8.3.3  DD算法载波同步的FPGA实现  336

8.4  插值算法位同步技术原理  344

8.4.1  位同步技术分类及组成  344

8.4.2  内插滤波器原理及结构  346

8.4.3  Gardner误差检测算法  348

8.4.4  环路滤波器与数控振荡器  349

8.5  插值算法位同步技术的MATLAB仿真  350

8.5.1  设计环路滤波器系数  351

8.5.2  分析位定时算法MATLAB仿真程序  351

8.5.3  完整的QAM位定时算法仿真  356

8.6  插值算法位同步技术的FPGA实现  358

8.6.1  顶层模块的Verilog  HDL设计  358

8.6.2  插值滤波模块的Verilog  HDL设计  361

8.6.3  误差检测及环路滤波器模块的Verilog  HDL设计  363

8.6.4  数控振荡器模块的Verilog  HDL设计  366

8.6.5  FPGA实现后的仿真测试  367

8.7  小结  371

参考文献  372

第9章  扩频调制解调技术的FPGA实现  375

9.1  扩频通信的基本原理  376

9.1.1  扩频通信的概念  376

9.1.2  扩频通信的种类  377

9.1.3  直扩系统工作原理  380

9.2  直扩调制信号MATLAB仿真  381

9.2.1  伪码序列的产生原理  381

9.2.2  MATLAB仿真直扩调制信号  382

9.3  直扩信号调制的FPGA实现  386

9.3.1  伪码模块的Verilog  HDL设计  386

9.3.2  扩频调制模块的Verilog  HDL设计  388

9.4  伪码同步的一般原理  391

9.4.1  滑动相关捕获原理  392

9.4.2  延迟锁相环跟踪原理  393

9.5  伪码同步算法设计及仿真  394

9.5.1  同步算法设计  394

9.5.2  捕获及跟踪门限的MATLAB仿真  396

9.6  伪码同步的FPGA实现  398

9.6.1  顶层模块的Verilog  HDL设计  398

9.6.2  伪码产生模块的Verilog  HDL设计  401

9.6.3  相关积分模块的Verilog  HDL设计  404

9.6.4  伪码相位调整模块的Verilog  HDL设计  405

9.6.5  FPGA实现后的仿真测试  407

9.7  直扩解调系统的FPGA实现  409

9.7.1  Costas载波环的Verilog  HDL设计  409

9.7.2  FPGA实现后的仿真测试  415

9.8  小结  416

参考文献  417

评论

加载更多