数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现 Xilinx/VHDL版 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杜勇 著

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• 数字调制
• 数字解调
• MATLAB
• FPGA
• Xilinx
• VHDL
• 通信系统
• 信号处理
• 无线通信
• 调制解调技术

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121326424

版次：1

商品编码：12193981

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-09-01

用纸：胶版纸

页数：496

字数：790000

正文语种：中文

内容简介

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，详细阐述数字通信调制解调技术的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。主要包括设计语言及环境介绍、FPGA实现数字信号处理基础、滤波器的FPGA实现、ASK调制解调技术的FPGA实现、FSK调制解调技术的FPGA实现、PSK调制解调技术的FPGA实现、QAM调制解调技术的FPGA实现以及DSSS信号调制解调技术的FPGA实现等内容。

作者简介

杜勇，四川省广安市人，高级工程师。1999年于湖南大学获电子工程专业学士学位，2005年于国防科学技术大学获信息与通信工程专业硕士学位。主要从事数字信号处理、无线通信以及FPGA应用技术研究。发表学术论文十余篇，出版数字滤波器的MATLAB与FPGA实现、数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现、数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现、锁相环技术原理及FPGA实现等多部著作。

目录

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FPGA （21）
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CXD301 （39）
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Verilog （45）
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　?/4 QPSK调制解调原理 （332）
7．6．1　?/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　?/4 QPSK信号的差分解调原理 （339）
7．6．4　?/4 QPSK调制解调的MATLAB仿真 （340）
7．7　?/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）
7．8　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）

前言/序言

为什么要写这本书

为什么要写这本书？或者说，为什么要写数字通信的MATLAB与FPGA实现技术相关内容的书？记得几年前电子工业出版社首次出版《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》一书时，我在前言中提到写作的原因主要有三条：其一，是FPGA技术在电子通信领域得到了越来越广泛的应用，并已逐渐成为电子产品实现的首选方案；其二，是国内市场上专门讨论如何采用FPGA实现数字通信技术的书籍相对欠缺；其三，是数字通信技术本身十分复杂，关键技术较多，在一本书中全面介绍数字通信技术的FPGA实现难免有所遗漏，且内容难以翔实。因此，根据作者的从业经验，将数字通信技术的关键技术大致分为滤波器技术、同步技术和解调技术三种，并尝试着先写滤波器技术，再逐渐完成其他两项关键技术的写作。在广大读者的支持和鼓励下，总算完成了《数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现》、《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现》两本书。后来又根据读者的反馈要求，先后出版了数字滤波器、数字通信同步技术、数字调制解调技术几本书的Altera/Verilog版，以及专门讨论锁相环技术的《锁相环技术原理及FPGA实现》。

数字通信的MATLAB与FPGA实现的系列著作出版后，陆续通过邮件或博客的方式收到广大读者的反馈意见。一些读者直接通过邮件告知书中的内容对工作中提供的直接或间接的帮助；一些读者提出了很多中肯的有建设性的意见和建议；更多的读者通过邮件交流书中的相关设计问题；还有一些读者直接指出了书中一些描述不准确的地方，以及部分文字上的错误（这些勘误都已在我的技术博客中发布）。

由于最初用Xilinx /VHDL平台（相对于Altera/Verilog，我更早熟悉Xilinx /VHDL平台）写数字通信的MATLAB与FPGA实现的系列著作时，并没有规划要写这个系列的Altera/Verilog版本，因此并没有在书名上增加“Xilinx/VHDL版”的字样，后来写Altera/Verilog版本时，为以示区别，在书名上增加了“Altera/Verilog版”的字样。时间过得很快，五年多的时间过去了，应读者需求，为进一步提高广大读者学习的效率，作者精心设计了与Xilinx/VHDL版本系列图书配套使用的FPGA信号处理板CXD301，并利用这次改版的时机增加了书中实例的板载测试内容，同时将书名增加了“Xilinx/VHDL版”的字样。

与《数字调制解调技术的ＭATLAB与FPGA实现》前一版相比，此次改版主要涉及以下几个方面：

（1）对有FPGA工程实例的章节，增加了主要工程实例的CXD301板载测试内容。

（2）FPGA工具更换为ISE 14.7，仿真工具更换为ModelsimSE 10.1，MATLAB软件更换为Matlab_R2014a版本。

（3）为便于在CXD301处理板上进行板载测试验证，对部分工程实例参数进行了适当调整。

（4）在编写板载测试内容时，发现原书中的部分程序还有需要完善的地方，改版过程中对配套开发资源包中的程序文件进行了补充及优化。

（5）改写了第6章MSK调制信号的FPGA实现方法。

（6）更正了书中一些叙述不当的地方，大多是读者反馈回来的问题。

（7）对读者提问较多的地方叙述得更加详细。

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：如何将从教材中学到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座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的方法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。

然而，刚毕业的工科院校学生极少有机会参加实际工程设计，工作中往往感到学校所学的理论知识很难与实际工程产品的实现联系起来。教科书上多是讲解通信原理性的内容，即使可以很好地解答教材后面的习题，或者说能够熟练地对书中的基本公式进行推导，在实际进行产品设计时，如何将这些理论及公式用具体的电路或硬件平台实现出来，仍然是摆在广大工程师面前的一道难关。尤其对于数字通信专业来讲，由于涉及的理论知识比较复杂，真正进行工程设计时才发现根本无从下手。采用MATLAB、System View等软件对通信理论进行仿真，虽然可以直观地验证算法的正确性，并查看仿真结果，但这类软件的仿真毕竟只停留在算法或模型的仿真上，与真正的工程设计及实现完全是两个不同的概念。FPGA技术很好地解决了这一问题。FPGA技术本来就是基于工程应用的技术，其仿真技术可以很好地仿真产品实际的工作情况，尤其是时序仿真技术，在计算机上通过了时序仿真的程序设计，几乎不再需要修改就可以直接应用到工程中。这种设计、验证、仿真的一体化方式可以极好地将理论与工程应用结合起来，从而提高学习的兴趣。

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。本书的目的正是架起一座教科书理论与工程设计实践之间的桥梁，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利用FPGA平台实现数字通信技术的方法。

目前，市场上已有很多介绍ISE、QuartusⅡ等FPGA开发环境，以及VHDL、Verilog HDL等硬件编程语言的书籍。当然，我们仅仅使用FPGA来实现一些数字逻辑电路，或者理论性不强的控制电路设计，掌握FPGA开发工具及VHDL语法就可以开始工作了。但是数字通信技术的理论性要强得多，采用FPGA平台实现数字通信技术的前提条件是对理论知识首先要有深刻的理解。在理解理论知识的基础上，关键的问题是根据这些通信理论或公式，利用FPGA的特点，找到合适的算法实现结构，理清工程实现的思路，并采用VHDL等硬件编程语言对其进行正确的实现。因此，要顺利地读懂本书，掌握用FPGA实现数字通信技术的知识和技能，读者还需要对FPGA的开发环境和设计语言有一定的了解。

作者在写作本书的过程中，兼顾数字通信技术的基础理论，以及工程设计过程的完整性，重点突出FPGA设计方法、结构、实现细节和仿真测试方法。在讲解理论知识的时候，重点从工程应用的角度进行介绍，主要介绍工程设计时必须掌握和理解的知识点，并且结合FPGA的特点进行讨论，便于读者尽快地找到理论与工程实现之间的结合点。在讲解实例的FPGA实现时，不仅绝大多数实例给出了完整的VHDL程序代码，并且从思路和结构上对每段代码均进行了详细的分析和说明。根据作者的理解，针对一些似是而非的概念，结合工程实例的仿真测试加以阐述，希望能够对读者提供更多有用的参考。相信读者按照书中讲解的步骤完成一个个工程实例时，会逐步感觉到理论与工程实现之间完美结合的畅快。随着读者掌握的工程实现技能的提高，对数字通信技术理论知识的理解也必将越来越深刻，重新阅读以前学过的数字通信原理时，头脑里就更容易构建起理论与工程实现之间的桥梁。

本书的内容安排

第1章首先对数字通信技术的概念及FPGA基础知识进行了简要介绍。本章耗费一些笔墨来讲述一些最基本的概念，一则是为了使全书所讲述的内容更成体系，二则想重申一个老掉牙的理由—基本的概念永远是最重要的。在介绍这些基本概念时，尽量避免使用一些复杂的公式及理论推导，更多地从直观角度来讨论。根据作者自身的经历和对数字通信的理解，对频谱、带宽、采样、信噪比等最基本的定义做了较为全面的阐述，希望能够对读者加深数字通信系统原理的理解有所帮助。大概是由于职业的原因，长期以来都对那些伟大的技术创新者备感敬意，因此在写FPGA发展历程时，更多地从人物的角度去描述那些科技创新的故事，这些故事确实非常有趣，那些伟大的科学家和技术创新者从来都不缺乏鲜明的个性。

采用MATLAB及FPGA来实现数字通信的相关技术，设计工程师首先需要熟练掌握一整套设计工具。设计语言及开发环境就是工程师手中的装备，要设计出完美的产品需要很多因素之间的相互配合，而掌握好手中的开发工具无疑是最基本的因素之一。第2章主要对本书所使用的设计语言和开发环境进行简要介绍。之所以说是简要介绍，因为这一整套的开发工具本身的功能十分强大，每一种工具都有种类繁多的专门著述进行详细阐述。随着工程师设计经验的积累，设计水平的提高，越能更全面地掌握设计工具的特点，从而更好地发挥设计工具的性能，以最小的代价设计出理想的产品。好比一把宝剑，只有握在高手的手中才能发挥出最大的威力。

第3章介绍FPGA中数的表示方法、数的运算、有限字长效应及常用的数字信号处理模块。数字信号在FPGA等硬件系统中实现时，因受寄存器长度的限制，不可避免地产生了有效字长效应。设计工程师必须了解字长效应对数字系统可能带来的影响，并在实际设计中通过仿真来确定最终的量化位数、寄存器长度等内容。本章最后对几种常用的运算模块IP核进行介绍，详细阐述了各IP核控制参数的设置方法，并给出了几个简单的模块应用实例。IP核的应用在FPGA设计中十分普遍，尤其在数字信号处理领域，采用设计工具提供的IP核进行设计，不仅可以提高设计效率，而且可以保证设计的性能。在进行FPGA工程设计时，工程师可以先浏览一下选定目标器件所能提供的IP核，便于通过使用IP核来减少设计工作量并提高系统性能。当然，工程师也可以根据设计需要，根据是否具有相应的IP核来选择目标器件。这一章讨论的都是一些非常基础的知识，但正因为是基础，所以显得尤其重要。其中讨论的有效数据位运算，以及字长效应等内容在后续的工程实例讲解中都会多次涉及，因此建议读者不要急于阅读后续章节的工程实例讲解，先切实练好基本功，才可以达到事半功倍的效果。

对于从事电子通信行业的技术人员来说，滤波器是一个再普通不过的概念了。数字滤波器本身已成为一个专业性很强的研究方向，第4章所要讲述的仅仅是最常用的FIR（Finite Impu

数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现（Xilinx/VHDL版） 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面且深入的数字调制解调技术理论与实践的学习平台，重点关注如何利用MATLAB进行算法仿真与设计，并通过FPGA（以Xilinx器件为代表）结合VHDL语言进行高效硬件实现。本书将数字通信系统中至关重要的调制解调环节，从概念、理论推导，到实际工程应用，进行层层剖析，使读者能够深刻理解其工作原理，并掌握从算法设计到硬件部署的全流程。 核心内容概述： 本书的内容围绕数字调制解调技术的关键方面展开，既有扎实的理论基础，又不乏前沿的工程实践。我们将从基础概念出发，逐步深入到各种主流的调制解调方案，并通过实际案例展示如何在MATLAB中实现算法，以及如何在Xilinx FPGA平台上利用VHDL进行高效的硬件逻辑设计与验证。 第一部分：数字调制解调基础理论与MATLAB仿真 1. 数字调制解调基础概念回顾： 信号的表示与量化： 介绍模拟信号如何被离散化和数字化，包括采样定理、量化误差及其对信号质量的影响。 信道模型： 阐述各种通信信道的特性，如加性高斯白噪声（AWGN）信道、衰落信道（如瑞利衰落、莱斯衰落）等，以及它们对数字信号传输的影响。 噪声与干扰： 深入分析各种噪声（热噪声、散弹噪声等）和干扰（互调干扰、串扰等）的来源、特性及其对系统性能的降解作用。 性能指标： 详细介绍评价数字调制解调系统性能的关键指标，如误码率（BER）、信噪比（SNR）、星座图、功率谱密度（PSD）等，并阐述它们之间的关系。 信息论基础： 简要回顾香农定理等基本信息论概念，为理解信道容量和理论极限奠定基础。 2. 常见数字调制技术详解与MATLAB实现： 幅度键控（ASK）： 原理：基于载波幅度的变化来表示数字信息。 类型：2-ASK (OOK), M-ASK。 MATLAB实现：演示如何生成ASK信号，模拟加性噪声，并进行解调，计算BER。 频率键控（FSK）： 原理：基于载波频率的变化来表示数字信息。 类型：2-FSK, M-FSK。 MATLAB实现：演示如何生成FSK信号，模拟不同类型的信道，并实现相干解调和非相干解调，分析BER性能。 相位键控（PSK）： 原理：基于载波相位的变化来表示数字信息。 类型：BPSK, QPSK, 8-PSK, M-PSK。 MATLAB实现：详细讲解BPSK和QPSK的原理，以及如何利用MATLAB生成星座图，模拟星座图的旋转和衰落，实现相干解调，并进行BER仿真。 正交振幅调制（QAM）： 原理：同时利用载波幅度和相位来表示数字信息，是ASK和PSK的结合。 类型：4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM。 MATLAB实现：重点介绍QAM的星座图设计，星座点映射，以及如何在MATLAB中实现QAM信号的生成、传输和解调。深入分析高阶QAM的BER性能与SNR的关系。 3. 先进调制技术简介与MATLAB仿真： 差分编码与解码： 介绍差分编码在相位模糊情况下的作用，以及如何在MATLAB中实现差分编码和解码。 最小频移键控（MSK）与高斯最小频移键控（GMSK）： 讲解这些连续相位调制（CPM）技术的特点，以及它们在移动通信中的优势。 OFDM（正交频分复用）基础： 原理：将高速数据流分割成多个低速子数据流，在多个正交的子载波上并行传输，以抵抗频率选择性衰落。 MATLAB实现：演示OFDM信号的产生（IFFT），循环前缀的添加，以及接收端的FFT和循环前缀去除。 4. 数字解调技术与MATLAB实现： 相干解调： 详细阐述相干解调的原理，包括载波同步（频率同步和相位同步）的重要性，以及如何利用MATLAB模拟载波同步过程。 非相干解调： 介绍非相干解调的优势（无需载波同步），以及不同调制方式下的非相干解调方法（如包络检波、鉴频器等）。 最大似然（ML）/最大后验（MAP）判决： 讲解在AWGN信道下的最优判决准则，以及如何在MATLAB中实现贝叶斯判决。 噪声抑制技术： 介绍简单的降噪滤波器（如匹配滤波器）在MATLAB中的实现。 5. MATLAB通信系统工具箱的应用： 本书将广泛利用MATLAB的通信系统工具箱（Communication System Toolbox），如`commmod.PSKModulator`、`comm.PSKDemodulator`、`comm.QAMModulator`、`comm.QAMDemodulator`、`comm.AWGNChannel`、`comm.ErrorRate`等函数，演示如何快速构建和仿真数字调制解调系统。 通过不同场景下的仿真，对比分析不同调制方案的BER性能，以及在不同SNR条件下的表现。 第二部分：FPGA硬件实现与Xilinx/VHDL实践 1. FPGA与数字信号处理基础： FPGA架构概述： 介绍FPGA的基本组成单元（LUT, Flip-flops, DSP Slices, BRAMs等）及其工作原理。 Verilog/VHDL语言基础： 对VHDL语言进行必要的复习和讲解，重点关注数据类型、信号、进程、组件实例化、状态机等在FPGA设计中的应用。 硬件描述语言（HDL）设计流程： 讲解从需求分析、RTL设计、仿真验证、综合、布局布线到下载配置的完整FPGA开发流程。 定点数与浮点数在FPGA中的处理： 阐述在FPGA资源受限的情况下，如何有效地进行定点数运算，以及何时需要使用浮点数运算单元。 2. 数字调制器硬件实现（Xilinx FPGA + VHDL）： ASK/FSK调制器的FPGA实现： 讲解如何利用查找表（LUT）或数控振荡器（DCO）在FPGA中生成不同幅度的载波（ASK）或不同频率的载波（FSK）。 设计并实现ASK/FSK调制逻辑，将输入比特流转换为相应的调制信号。 涉及状态机设计，用于控制载波的生成和调制过程。 PSK调制器的FPGA实现： 利用CORDIC算法或查找表生成正交的载波信号（cos(wt), sin(wt)）。 基于输入比特流，通过多路选择器（MUX）或查找表直接生成不同相位的载波。 以BPSK和QPSK为例，详细讲解其FPGA实现细节，包括相位偏移的产生与切换。 QAM调制器的FPGA实现： 介绍QAM信号的生成原理，即两个正交载波的幅度和相位的组合。 利用FPGA的DSP Slices和BRAMs实现数字乘法器和查找表，用于生成IQ（In-phase and Quadrature）信号。 讲解如何将输入比特流映射到相应的I、Q分量，并通过DAC（数字到模拟转换器）输出。 3. 数字解调器硬件实现（Xilinx FPGA + VHDL）： ASK/FSK解调器的FPGA实现： 讲解如何设计匹配滤波器或能量检测器来接收ASK信号。 对于FSK，演示如何设计鉴频器或频率检测逻辑。 实现比特提取逻辑，将接收到的模拟信号（通过ADC后）恢复为数字比特流。 PSK解调器的FPGA实现： 载波恢复： 重点讲解在FPGA中实现载波同步的挑战，包括频率同步和相位同步。介绍Gardner定时等同步算法的基本思想，并探讨其在FPGA上的实现方法。 相干解调逻辑： 实现与调制端正交的载波相乘，并进行低通滤波（LPF）以提取基带信号。 最佳判决器： 设计比较器，根据提取出的基带信号幅度或相位信息进行最佳判决。 QAM解调器的FPGA实现： 实现与调制端同步的IQ载波相乘和低通滤波。 设计决策器，根据IQ信号的值在QAM星座图中找到最接近的点，从而恢复原始比特流。 需要仔细处理定点数运算带来的精度问题。 4. FPGA设计与验证： Xilinx Vivado/ISE设计流程： 详细介绍如何使用Xilinx的集成开发环境（IDE），如Vivado，进行工程的创建、HDL代码的编写、综合、实现（布局布线）、生成比特流以及下载到FPGA开发板。 VHDL仿真与波形分析： 强调仿真在FPGA设计中的重要性。演示如何编写测试平台（Testbench）来验证VHDL模块的正确性，并利用仿真工具（如Vivado Simulator）进行波形分析，找出设计中的错误。 IP核的应用： 介绍Xilinx提供的各种IP核（如FIR滤波器、FFT、CORDIC等），以及如何将这些IP核集成到VHDL设计中，以加速开发过程并提高性能。 系统集成与硬件调试： 讲解如何将不同模块组合成完整的调制解调系统，以及在实际FPGA开发板上进行硬件调试的方法（如ILA - Integrated Logic Analyzer）。 第三部分：实例分析与综合应用 1. 不同调制方案的FPGA性能比较： 通过实际的FPGA实现，对比不同调制方案（如BPSK, QPSK, 16-QAM）在资源占用、时序性能（最高工作频率）和功耗方面的差异。 分析FPGA实现中可能遇到的瓶颈，以及优化设计的方法。 2. 实际通信系统中的应用场景： 软件无线电（SDR）平台： 探讨如何将MATLAB设计的算法与FPGA实现相结合，构建一个灵活的SDR系统。 通信链路设计： 以一个简单的点对点通信链路为例，展示如何设计端到端的数字调制解调系统，包括信源编码、信道编码（可选）、调制、信道传输（模拟）和解调、信源译码。 嵌入式通信系统： 介绍如何将FPGA实现的调制解调模块集成到嵌入式系统中，用于特定的通信应用，如物联网（IoT）设备、工业自动化等。 3. 前沿技术展望： 简要介绍一些更高级的调制技术和算法，如LDPC码、Turbo码与调制技术的结合，以及在FPGA上实现这些复杂算法的挑战与机遇。 探讨智能信号处理在通信系统中的应用。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 既讲解清晰的数学原理，又提供可执行的MATLAB代码和VHDL设计。 循序渐进的学习路径： 从基础概念到高级应用，结构清晰，易于读者理解和掌握。 丰富的实例分析： 大量使用实际的MATLAB仿真和FPGA设计案例，帮助读者将理论知识转化为实践技能。 Xilinx FPGA与VHDL为重点： 专注于行业主流的FPGA平台和硬件描述语言，使读者的学习成果更具应用价值。 注重工程实现细节： 深入探讨FPGA设计中的资源约束、时序优化、定点数处理等实际工程问题。 内容全面： 涵盖了数字调制解调技术中的多种主流方案，为读者构建完整的技术图谱。 本书适合于通信工程、电子工程、计算机科学等相关专业的本科生、研究生，以及从事数字通信、软件无线电、FPGA设计等工作的工程师阅读。通过本书的学习，读者将能够深刻理解数字调制解调技术的原理，熟练掌握利用MATLAB进行算法设计和仿真，并具备使用Xilinx FPGA和VHDL进行高效硬件实现的能力。

评分☆☆☆☆☆

评价四 从这本书的封面上，我感受到了一种强烈的技术导向和实操性。我一直对数字调制解调技术在现代信息传输中的重要性有着深刻的认识，但苦于缺乏将理论知识转化为动手能力的有效途径。市面上很多书籍要么过于理论化，要么过于基础化，难以满足我从原理到实现的进阶需求。这本书的出现，恰好填补了这一空白。我尤其看重它在MATLAB仿真和FPGA实现上的结合。我期待书中能够深入解析各种数字调制解调算法的数学原理，并提供详细的MATLAB代码实现，以便我能够通过仿真直观地理解其工作机制和性能表现。更重要的是，我希望它能教会我如何利用VHDL语言，将这些算法逻辑有效地移植到Xilinx FPGA平台上，并最终实现高效、稳定的硬件模块。我特别希望书中能够包含一些关于FPGA设计流程的详细介绍，包括顶层设计、模块划分、IP核的使用、约束文件的编写以及最终的比特流生成等。例如，对于QPSK调制解调器，我希望看到它如何在FPGA上实现载波同步、定时恢复、相干解调等关键功能。这本书就像是一座桥梁，连接了我对通信理论的理解和对硬件实现的掌握。

评分☆☆☆☆☆

评价二 收到这本书的那一刻，我就被其厚实的质感和内页精良的印刷所吸引。封面上的“MATLAB与FPGA实现”字样，立即点燃了我想要将抽象的数字调制解调理论转化为可执行代码和实际硬件的渴望。我之前接触过一些关于数字信号处理的书籍，但往往在将理论算法映射到硬件实现层面时感到力不从心。MATLAB强大的仿真能力和FPGA高效的并行处理能力，正是解决这一难题的关键。我特别希望这本书能够详细阐述如何利用MATLAB进行系统级建模和仿真，例如生成基带信号、添加噪声、进行解调以及性能评估等。更重要的是，我期望它能循序渐进地引导读者如何使用VHDL语言，将这些MATLAB模型中的算法逻辑转化为可综合的硬件描述代码，并在Xilinx FPGA平台上进行实际的部署和调试。我非常感兴趣的章节将是如何将诸如星座图绘制、眼图分析、误码率计算等MATLAB中的常用分析工具，转化为FPGA上的实时监测和调试功能。另外，书中对于各种数字调制解调器（Modulator/Demodulator）的FPGA架构设计，例如并行处理、流水线技术以及资源优化等方面，将是我学习的重点。如果书中还能包含一些实际的应用案例，比如用于无线通信、软件无线电（SDR）等场景下的调制解调模块实现，那就更加完美了。

评分☆☆☆☆☆

评价一 这本书的封面设计扑面而来的是一种严谨而专业的学术气息，那深邃的蓝色背景衬托着清晰的标题和技术性极强的插图，立刻勾起了我对数字通信领域深入探索的兴趣。我一直在寻找一本能够将理论知识与实际工程应用紧密结合的书籍，尤其是在数字调制解调这个核心技术上。许多市面上的教材往往侧重于数学推导，虽然严谨，但对于实际动手操作的指导却略显不足，而另外一些则过于偏重代码实现，对背后的原理讲解不够透彻。我期望这本书能够提供一个完美的平衡点，既有清晰易懂的理论讲解，又能在MATLAB和FPGA这两个强大的平台上提供详实的实践指导。特别是FPGA部分，我希望它能深入介绍如何将复杂的数字信号处理算法转化为高效的硬件描述语言（VHDL），并能在Xilinx器件上进行验证和实现。这种理论与实践的结合，对于我这样希望将所学知识转化为实际产品研发能力的读者来说，至关重要。我非常期待书中能够涵盖诸如QPSK、QAM等经典调制方案的MATLAB仿真和FPGA硬核实现，甚至是更前沿的OFDM技术。此外，书中对于FPGA开发流程的详细介绍，包括逻辑设计、综合、布局布线以及时序约束等关键步骤，也将是我重点关注的内容。我希望这本书能够成为我学习数字调制解调技术，并将其应用于通信系统设计和优化的得力助手。

评分☆☆☆☆☆

评价三 拿到这本书，一股浓厚的工程实践氛围便扑面而来。我一直对数字调制解调技术在现代通信系统中的核心地位深感着迷，但如何在理论与实践之间搭建桥梁，尤其是如何有效利用MATLAB和FPGA这两个强大的工具，一直是我学习中的一个痛点。这本书的标题直接点明了其核心价值，让我看到了将抽象的通信原理转化为具体可实现的解决方案的希望。我特别期待书中能够详细讲解如何在MATLAB环境中对各种数字调制方式，例如ASK、FSK、PSK、QAM等，进行深入的仿真和性能分析，包括星座图、功率谱密度、误码率等关键指标的计算和可视化。更令我兴奋的是，它承诺将这些算法通过VHDL语言在Xilinx FPGA平台上实现。我希望能够看到清晰的VHDL代码示例，以及对每个模块功能的详细解释，从而理解如何将数字信号处理算法映射到硬件逻辑，并实现高效的并行处理。这本书的出现，就像是为我打开了一扇通往实际通信系统设计大门。我迫切希望学习书中关于FPGA资源（如LUTs、FFs、DSPs）的有效利用，以及如何优化设计以满足实时性和功耗要求。如果书中还能提供一些关于FPGA开发流程的实用技巧，例如如何进行时序分析、如何调试硬件实现等，那将大大提升我的工程实践能力。

评分☆☆☆☆☆

评价五 翻开这本书，第一眼就被其专业的排版和清晰的图示所吸引，仿佛预示着一段深入的技术探索之旅即将开启。我一直认为，在数字通信领域，理论与实践的结合是学习的精髓，而数字调制解调技术正是这种结合的典型代表。我曾尝试过一些相关的学习资料，但总觉得在将MATLAB仿真得到的算法转化为FPGA硬件实现时，缺乏系统性的指导。这本书正是以“MATLAB与FPGA实现”为切入点，让我看到了解决这一难题的希望。我期待书中能够详细阐述各种数字调制解调方案（如BFSK、BPSK、QPSK、8-PSK、16-QAM等）的原理，并辅以详细的MATLAB仿真代码，让我在仿真环境中充分理解其特性。更让我兴奋的是，书中承诺将这些算法转化为VHDL语言，并在Xilinx FPGA平台上实现。我希望能够看到清晰、模块化的VHDL代码，以及对设计思路的深入剖析，例如如何进行数据通路设计、控制逻辑设计、如何利用FPGA内部资源（如DRAM、DDR）来加速处理等。这本书的价值在于，它不仅传授了知识，更提供了实践的方法论，帮助我构建完整的数字调制解调工程能力。我非常期待书中能够包含一些实际应用案例，以及在FPGA设计过程中可能遇到的常见问题和解决方案。