正版 锁相环技术原理及FPGA实现 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

杜勇著 著

图书标签:

• 锁相环
• PLL
• FPGA
• 数字电路
• 通信系统
• 信号处理
• 电子工程
• 正版书籍
• 技术原理
• 实现方法

店铺： 易宝易砚图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121287381

商品编码：29646735910

包装：平装

出版时间：2016-05-01

图书基本信息
图书名称	锁相环技术原理及FPGA实现
作者	杜勇著
定价	68.00元
出版社	电子工业出版社
ISBN	9787121287381
出版日期	2016-05-01
字数
页码
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.4Kg

内容简介

本书从工程应用的角度详细阐述锁相环技术的工作原理，利用MATLAB及System View仿真工具软件讨论典型电路的工作过程。以Altera公司的FPGA为开发平台，以Verilog HDL语言为开发工具，详细阐述锁相环技术的FPGA实现原理、结构、方法，以及仿真测试过程和具体技术细节，主要包括设计平台及开发环境介绍、锁相环跟踪相位的原理、FPGA实现数字信号处理基础、锁相环路模型、一阶环路的FPGA实现、环路滤波器与锁相环特性、二阶环路的FPGA实现、锁相环路性能分析、锁相测速测距的FPGA实现。

作者简介

杜勇，男，高级工程师，1976年生，硕士学位，毕业于国防科技大学，现工作于酒泉卫星发射中心。承担的项目共计4项，主要方向为无线通信技术的设计与实现，均为项目负责人，主要承担项目总体方案设计、核心算法设计及FPGA实现、硬件电路板的设计等工作。

目录

章 设计环境及开发平台介绍 1 1.1 FPGA基础知识 2 1.1.1 基本概念及发展历程 2 1.1.2 FPGA的结构和工作原理 4 1.1.3 FPGA在数字信号处理中的应用 12 1.2 Altera器件简介 12 1.3 Verilog HDL语言简介 15 1.3.1 HDL语言简介 15 1.3.2 Verilog HDL语言特点 16 1.3.3 Verilog HDL程序结构 17 1.4 Quartus II开发套件 18 1.4.1 Quartus II开发套件简介 18 1.4.2 Quartus II软件的用户界面 19 1.5 ModelSim仿真软件 22 1.6 MATLAB软件 24 1.6.1 MATLAB软件介绍 24 1.6.2 MATLAB工作界面 24 1.6.3 MATLAB的特点及优势 25 1.6.4 MATLAB与Quartus的数据交互 27 1.7 SystemView软件 28 1.7.1 SystemView简介 28 1.7.2 SystemView工作界面 29 1.8 小结—欲善其事先利其器 32 第2章 FPGA数字信号处理基础 33 2.1 FPGA中数的表示 34 2.1.1 莱布尼兹与二进制 34 2.1.2 定点数表示 35 2.1.3 浮点数表示 36 2.2 FPGA中数的运算 40 2.2.1 加/减法运算 40 2.2.2 乘法运算 43 2.2.3 除法运算 44 2.2.4 有效数据位的计算 44 2.3 有限字长效应 47 2.3.1 字长效应的产生因素 47 2.3.2 A/D转换的字长效应 48 2.3.3 系统运算中的字长效应 49 2.4 FPGA中的常用处理模块 51 2.4.1 加法器模块 51 2.4.2 乘法器模块 53 2.4.3 除法器模块 56 2.4.4 浮点运算模块 57 2.5 小结—四个过桥人 59 第3章 锁相环为什么能够跟踪相位 61 3.1 锁相环的组成 62 3.1.1 关注信号的相位分量 62 3.1.2 VCO是一个积分器件 63 3.1.3 正弦鉴相器还是余弦鉴相器 65 3.1.4 环路滤波器的作用 68 3.2 从负反馈电路理解锁相环 69 3.2.1 反馈电路的概念 69 3.2.2 负反馈电路的控制作用 70 3.2.3 锁相环与基本负反馈电路的区别 71 3.2.4 分析锁相环的工作状态 72 3.3 简单的锁相环 73 3.3.1 一阶锁相环的SystemView模型 73 3.3.2 确定VCO输出的同相支路 74 3.4 锁相环的基本性能参数 77 3.4.1 捕获及跟踪过程 77 3.4.2 环路的基本性能要求 78 3.5 分析一阶环的基本参数 79 3.5.1 数学方法求解一阶环 79 3.5.2 图解法分析一阶环工作过程 81 3.5.3 工程设计与理论分析的差异 82 3.5.4 遗忘的参数——鉴相滤波器截止频率 85 3.6 小结——千条路与磨豆腐 87 第4章 一阶锁相环的FPGA实现 89 4.1 一阶环的数字化模型 90 4.1.1 工程实例需求 90 4.1.2 数字鉴相器 91 4.1.3 数控振荡器 92 4.1.4 计算环路增益 94 4.2 数字鉴相滤波器设计 95 4.2.1 FIR与IIR滤波器 95 4.2.2 MATLAB滤波器函数 97 4.2.3 FIR滤波器的MATLAB设计 100 4.2.4 量化滤波器系数 102 4.3 Verilog HDL代码风格 105 4.3.1 文件接口声明 105 4.3.2 变量的命名方式 106 4.3.3 模块对齐方式 106 4.3.4 阻塞赋值和非阻塞赋值 107 4.3.5 注释语句 107 4.4 一阶环的Verilog HDL设计 108 4.4.1 新建FPGA工程 108 4.4.2 数字乘法器设计 110 4.4.3 低通滤波器设计 112 4.4.4 数控振荡器设计 115 4.4.5 顶层文件设计 115 4.5 一阶环的ModelSim仿真测试 119 4.5.1 MATLAB生成测试数据 119 4.5.2 编写测试激励文件 120 4.5.3 环路为什么不能锁定 122 4.5.4 继续仿真分析环路性能 125 4.6 小结—科学的方法 127 第5章 从线性方程到环路模型 129 5.1 线性时不变系统 130 5.1.1 线性系统的概念 130 5.1.2 时不变系统的概念 132 5.1.3 为什么研究线性时不变系统 132 5.2 信号的线性分解 133 5.2.1 信号的常用分解方法 133 5.2.2 分析的化身—欧拉 135 5.2.3 “e”是一个函数的极限 137 5.2.4 泰勒、麦克劳林与牛顿 139 5.2.5 上帝创造的公式—欧拉公式 141 5.3 从傅里叶级数到Z变换 142 5.3.1 温室效应的发现者—傅里叶 142 5.3.2 傅里叶级数是一篇美妙的乐章 143 5.3.3 负频率信号是什么信号？ 147 5.3.4 傅氏变换与拉氏变换 151 5.3.5 Z变换—离散时间系统分析工具 153 5.3.6 如何判断系统是否稳定 156 5.4 锁相环路的模型 158 5.5 小结—乔布斯的演讲 160 第6章 环路滤波器决定锁相环特性 163 6.1 简单的环路滤波器—RC滤波器 164 6.1.1 RC低通滤波器的频率特性 164 6.1.2 二阶环路的传输函数 166 6.2 回顾二阶线性电路 167 6.2.1 二阶线性电路与锁相环 167 6.2.2 固有振荡频率与阻尼系数 168 6.2.3 单位阶跃信号的响应分析 169 6.3 RC滤波器二阶环的SystemView仿真 172 6.3.1 RC滤波器锁相环路模型 172 6.3.2 锁定状态与阻尼系数的仿真 174 6.4 反馈环路的稳定性分析 177 6.4.1 系统稳定与锁相环稳定的关系 177 6.4.2 频率特性与环路的稳定 177 6.4.3 伯德图分析方法 179 6.4.4 伯德图分析RC二阶环路的稳定性 180 6.4.5 二阶环路的相位滞后是如何产生的 181 6.4.6 鉴相滤波器的影响 182 6.5 无源比例积分滤波器 184 6.5.1 频率特性 184 6.5.2 环路的传输函数 185 6.5.3 环路稳定性分析及参数设计 186 6.5.4 环路的SystemView仿真 188 6.6 有源比例积分滤波器 189 6.6.1 频率特性 189 6.6.2 环路的传输函数 191 6.6.3 环路稳定性分析及参数设计 193 6.6.4 环路的SystemView仿真 194 6.6.5 为什么稳态相差可以为零 196 6.7 小结—世界上容易的事 198 第7章 二阶环的FPGA实现 199 7.1 依据模拟环设计数字环 200 7.1.1 从模拟到数字——双线性变换 200 7.1.2 环路滤波器的数字化 202 7.1.3 理想二阶环的参数设计 203 7.1.4 理想二阶环的Verilog HDL设计 205 7.2 FPGA实现后的仿真测试 208 7.2.1 环路增益对锁定性能的影响 208 7.2.2 频差对锁定性能的影响 210 7.2.3 环路捕获范围测试 211 7.3 理想二阶环的数字化 213 7.3.1 NCO的数字化模型 213 7.3.2 环路的数字化模型 214 7.4 模拟与数字环路的关联 215 7.4.1 确定环路滤波器系数 215 7.4.2 增益与环路滤波器系数的关系 216 7.4.3 两种系数计算方法比较 216 7.5 小结—芝诺与庄子的哲学 217 第8章 锁相环的性能分析 219 8.1 捕获性能 220 8.1.1 捕获过程 220 8.1.2 捕获带与捕获时间 221 8.1.3 辅助捕获方法 222 8.2 跟踪性能 224 8.2.1 环路的稳态相差 224 8.2.2 环路的频率特性 225 8.2.3 调制跟踪与载波跟踪 228 8.2.4 两种跟踪方式的SystemView仿真 229 8.3 噪声性能 237 8.3.1 噪声情况下的环路模型 237 8.3.2 输出相位噪声方差 240 8.3.3 环路噪声带宽 241 8.3.4 环路信噪比 242 8.4 理想二阶环设计公式 244 8.5 小结—兴趣是好的老师 245 第9章 锁相环解调PSK信号的FPGA实现 247 9.1 PSK调制解调原理 248 9.1.1 PSK调制原理及信号特征 248 9.1.2 PSK信号的MATLAB仿真 249 9.1.3 锁相环解调PSK原理 252 9.2 锁相环路解调参数设计 254 9.2.1 总体性能参数设计 254 9.2.2 下变频乘法器设计 256 9.2.3 下变频低通滤波器设计 257 9.2.4 鉴相乘法器设计 259 9.2.5 数控振荡器设计 260 9.2.6 环路滤波器设计 261 9.3 锁相解调环的Verilog设计 262 9.3.1 顶层文件的Verilog设计 262 9.3.2 鉴相器的Verilog设计 264 9.3.3 环路滤波器的Verilog设计 265 9.4 锁相解调环的仿真测试 266 9.4.1 环路捕获范围测试 266 9.4.2 NCO更新周期对环路增益的影响 267 9.5 小结—渔王的儿子 272 参考文献 274

编辑推荐

着眼工程设计，精解设计实例；分解实现步骤，注重实现细节；完整仿真测试，详细性能分析；提供完整代码，迅速提升实力。

文摘

序言

《锁相环技术原理与嵌入式系统应用》 内容概要： 本书深入浅出地阐述了锁相环（PLL）的核心原理，并重点聚焦于其在现代嵌入式系统设计中的实际应用。全书分为三个主要部分：原理篇、设计篇与应用篇。 原理篇 第一章 锁相环基础理论 本章将从最基础的概念出发，详细介绍锁相环的构成单元及其工作原理。我们将首先解析锁相环的反馈控制特性，理解其如何通过负反馈机制实现对输入信号的频率和相位跟踪。 1.1 锁相环的基本构成与工作模式： 介绍锁相环的四大核心组件：鉴相器（Phase Detector, PD）、低通滤波器（Loop Filter, LF）、压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）以及分频器（optional, in fractional-N PLLs）。深入剖析不同类型的鉴相器，如模拟鉴相器（XOR, Charge Pump）和数字鉴相器（S-R Flip-Flop, JK Flip-Flop, Delay Line），分析它们的优缺点和适用场景。解释锁相环在锁定状态下的行为，包括频率锁定（Acquisition）和相位锁定（Tracking）。 1.2 锁相环传递函数与稳定性分析： 建立锁相环的数学模型，推导其开环和闭环传递函数。详细讲解如何利用根轨迹、伯德图等工具分析锁相环的稳定性，理解捕捉范围（Lock Acquisition Range）和跟踪范围（Tracking Range）的概念及其对环路设计的影响。引入环路带宽（Loop Bandwidth）和阻尼系数（Damping Factor）等关键参数，阐述它们如何影响锁相环的瞬态响应和稳态精度。 1.3 噪声与抖动分析： 深入探讨锁相环系统中存在的各种噪声源，包括VCO的相位噪声、鉴相器的量化噪声、滤波器的热噪声等。量化锁相环的相位噪声（Phase Noise）和周期抖动（Jitter）对输出信号质量的影响，并介绍常用的噪声抑制技术，如选择合适的环路滤波器类型和参数。 第二章 锁相环的进阶理论 在掌握了基本原理后，本章将进一步深入探讨锁相环的设计与性能优化。 2.1 环路滤波器设计： 详细介绍不同阶数的环路滤波器（一阶、二阶、三阶）的设计方法，包括选择滤波器类型（PID, Proportional-Integral, PI, P），确定滤波器的组件值（电阻、电容）以达到期望的环路带宽和阻尼系数。讨论滤波器的非理想因素（如寄生电容）对性能的影响。 2.2 压控振荡器（VCO）特性： 分析VCO的压控增益（Kvco）、调谐范围、相位噪声特性及其对锁相环整体性能的影响。介绍不同类型的VCO，如环形振荡器（Ring Oscillator）和LC振荡器（LC Oscillator），并讨论它们各自的优劣势。 2.3 鉴相器（PD）和电荷泵（CP）的深入剖析： 详细对比不同类型鉴相器的优缺点，包括其相位检测精度、线性度、捕获范围以及对输入信号占空比的要求。深入剖析电荷泵的电流开关特性、死区时间（Dead Zone）效应及其对环路稳定性和抖动的影响。 2.4 分频器的作用与类型： 介绍分频器在锁相环中的作用，特别是分数N分频（Fractional-N）锁相环的实现，它允许在不增加小数位数的情况下实现更精细的频率合成。分析整数分频和分数分频锁相环的区别。 设计篇 第三章 锁相环系统级设计 本章将指导读者如何从系统需求出发，进行合理的锁相环系统设计。 3.1 系统需求分析与参数选择： 指导读者如何根据应用场景（如时钟生成、频率合成、数据恢复）确定锁相环的关键性能指标，包括输出频率范围、频率分辨率、相位噪声要求、抖动指标、功耗限制等。 3.2 环路参数优化与仿真： 详细介绍如何利用MATLAB/Simulink等仿真工具进行锁相环的系统级仿真，包括构建模型、设置参数、进行瞬态和稳态分析。指导读者如何根据仿真结果调整环路滤波器参数、VCO增益等，以优化锁相环的性能。 3.3 实际设计中的挑战与对策： 讨论在实际硬件设计中可能遇到的问题，如电源噪声、地线干扰、信号完整性等，并提供相应的解决方案。例如，如何进行有效的电源滤波和去耦，如何优化PCB布局布线以降低寄生参数和噪声耦合。 第四章 锁相环模块级设计与电路实现 本章将聚焦于锁相环各个组成模块的具体电路实现。 4.1 鉴相器与电荷泵的电路实现： 介绍基于CMOS工艺的鉴相器（如XOR型、电荷泵型）和电荷泵的典型电路结构，讨论如何优化其性能，降低功耗和提高精度。 4.2 环路滤波器的硬件实现： 讲解不同阶数环路滤波器的模拟和数字实现方式，包括RC滤波器、有源滤波器以及电荷泵滤波器。 4.3 压控振荡器（VCO）的电路设计： 介绍不同类型VCO（如环形振荡器、LC振荡器）的电路设计细节，包括晶体管尺寸、偏置电流的选择，以及如何减小VCO的相位噪声。 4.4 分频器的设计与实现： 介绍整数分频器（如T触发器级联）和分数分频器（如Sigma-Delta调制）的电路结构和设计要点。 应用篇 第五章 锁相环在嵌入式系统中的核心应用 本章将深入探讨锁相环在各种嵌入式系统中的实际应用。 5.1 时钟生成与分配： 详细阐述锁相环如何作为核心时钟源，为嵌入式处理器、ADC/DAC、通信接口等提供稳定、精确的时钟信号。讨论不同应用场景对时钟质量的要求，以及如何通过锁相环设计来满足这些需求。 5.2 频率合成与倍频： 讲解锁相环如何实现高精度、大范围的频率合成，特别是在通信系统中，用于生成各种射频信号、本地振荡信号等。分析分数N分频技术在现代高性能频率合成中的重要性。 5.3 数据恢复与时钟/数据恢复（CDR）： 详细介绍锁相环在串行通信中的关键作用——时钟/数据恢复。分析其工作原理，如何从接收到的数据流中提取时钟信号，并将其与数据同步。讨论不同类型的CDR电路及其在高速通信接口（如USB, SATA, Ethernet）中的应用。 5.4 电源管理与低功耗设计： 探讨锁相环在动态电压频率调整（DVFS）等电源管理技术中的应用，如何通过调节时钟频率来优化系统功耗。 第六章 现代嵌入式系统中的锁相环进阶应用 本章将进一步拓展锁相环在更复杂嵌入式系统设计中的应用。 6.1 低抖动时钟合成技术的实现： 针对对时钟抖动要求极高的应用（如高性能ADC/DAC、精密仪器），介绍如何通过选择低噪声VCO、优化环路滤波器、采用先进的抖动抑制技术来设计低抖动锁相环。 6.2 宽带频率合成与多标准支持： 讨论如何在同一硬件平台上支持多种通信标准，通过宽带锁相环实现不同频率的灵活切换，例如在软件定义无线电（SDR）系统中。 6.3 锁相环在数字信号处理（DSP）中的应用： 介绍锁相环如何与DSP算法结合，实现更复杂的信号处理功能，如自适应均衡、相位校正等。 6.4 嵌入式系统中的时钟同步与分布式系统： 探讨在多处理器或分布式系统中，如何利用锁相环实现各节点之间的精确时钟同步，保证系统协同工作的稳定性。 结论 本书旨在为读者提供一个全面、系统、实用的锁相环技术学习平台。通过深入的原理阐述、详细的设计指导和丰富的实际应用案例，读者将能够深刻理解锁相环的工作机制，掌握其设计与实现方法，并能将其成功应用于各种复杂的嵌入式系统设计中，为开发高性能、高可靠性的电子产品打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，就像是接受了一次关于时钟同步技术的“高级特训”。作者的语言风格非常正式，用词精准，几乎没有可以产生歧义的模糊表达。我尤其欣赏它在对比不同PLL架构时的客观公正性，比如对模拟锁相环（APLL）和全数字锁相环（ADLL）的优缺点进行了详尽的性能指标对比，包括功耗、锁定速度和抗干扰能力。书中对锁相环的建立时间（Settling Time）分析，结合了阻尼系数和自然频率的计算，体现了深厚的控制论功底。如果说有什么可以改进的地方，那就是在涉及到现代CMOS工艺和低功耗设计时，书中引用的具体器件参数和设计限制略显陈旧。毕竟半导体技术发展飞速，如果能增加一些与先进工艺节点（如28nm及以下）相关的挑战与应对策略的讨论，这本书的实用性将会得到质的飞跃。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计挺有意思的，蓝白相间的色调，加上一些电路图的剪影，给人一种专业又严谨的感觉。我一直对电子工程领域很感兴趣，特别是信号处理和控制系统方面，所以这本书自然而然地吸引了我。拿到手的时候，翻了几页，感觉作者的叙述风格非常扎实，从基础概念的引入到复杂理论的推导，层层递进，逻辑清晰。我注意到其中对傅里叶分析和Z变换这些数学工具的应用讲解得非常到位，这对于理解锁相环（PLL）这种涉及时域和频域转换的系统至关重要。如果说有什么期望的话，我希望作者能在案例分析中加入更多不同应用场景下的实际调试经验，比如在射频电路和数字通信系统中的具体实现细节和可能遇到的“陷阱”，这样对于工程实践者来说会更有指导意义。总的来说，这本书的体例结构和内容的深度，表明了它是一本非常值得深入研读的参考书，对于想要系统学习锁相环理论的读者来说，它提供了一个非常好的起点。

评分☆☆☆☆☆

我不得不说，初次接触这本书时，对其厚度和内容密度感到一丝压力。它显然不是那种走马观花的入门读物，而是瞄准了希望深入理解底层机理的硬核读者。书中对于环路滤波器的设计，特别是如何平衡相位裕度和带宽，那部分的数学推导看得我直冒冷汗，但最终理解后的成就感也随之而来。作者似乎很擅长将抽象的控制理论与具体的硬件实现挂钩。例如，在讨论 VCO（压控振荡器）的非线性特性时，书中并没有简单地将其视为理想模型，而是深入分析了其对整体系统稳定性的影响，这一点非常难得。不过，略感遗憾的是，对于现代设计流程中越来越流行的基于软件仿真的验证方法，比如使用 MATLAB/Simulink 进行系统级建模和仿真，书中的着墨似乎略显不足。如果能增加一些关于如何建立精确模型并进行参数扫描的章节，对于现代工程师来说会更加贴合实际需求。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和字体选择给人一种非常传统但可靠的感觉，就像一本经典教材那样，重点突出，图表清晰。作为一名侧重于数字信号处理的工程师，我对书中关于如何利用FPGA实现数字锁相环（DLL/DPLL）的部分尤其感兴趣。作者详细阐述了如何用查找表（LUT）和查找表-相位累加器（LUT-PADDLE）结构来构建高精度的数字频率合成器，这部分内容写得非常具体，甚至给出了VHDL/Verilog代码片段的伪代码逻辑，使得抽象的算法概念变得触手可及。我特别欣赏作者在讲解采样和量化误差时所采取的严谨态度，这直接关系到最终输出信号的抖动（Jitter）性能。唯一的建议是，对于初次接触FPGA设计的读者，可能需要额外的Verilog语法基础才能完全跟上书中代码描述的节奏，或许可以在附录中稍微补充一下FPGA设计流程的基本知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值在于其体系的完整性。它不仅仅停留在“如何设计一个PLL”的层面，而是深入挖掘了“为什么是这种设计”的根本原因。我注意到书中有一章专门探讨了各种锁定判据和同步策略，例如早期收购（EAC）和循环搜索（Cycle-slip）的机制，这些在实际通信系统中是决定性能的关键因素。作者通过大量的数学公式和规范的符号定义，构建了一个坚实的理论框架。然而，从一个更侧重于系统集成的角度来看，书中对外部干扰和噪声源的建模和抑制策略可以再细化一些。比如，电源噪声耦合（PSRR）对VCO相位噪声的影响，以及如何通过板级设计（Layout）来缓解这些问题，这些都是实战中绕不开的话题。总体而言，这本书更像是理论研究者的案头必备，需要读者具备一定的数学功底才能完全领会其精髓。