正版 鎖相環技術原理及FPGA實現 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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杜勇著 著

圖書標籤:

• 鎖相環
• PLL
• FPGA
• 數字電路
• 通信係統
• 信號處理
• 電子工程
• 正版書籍
• 技術原理
• 實現方法

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121287381

商品編碼：29646735910

包裝：平裝

齣版時間：2016-05-01

圖書基本信息
圖書名稱	鎖相環技術原理及FPGA實現
作者	杜勇著
定價	68.00元
齣版社	電子工業齣版社
ISBN	9787121287381
齣版日期	2016-05-01
字數
頁碼
版次	1
裝幀	平裝
開本	16開
商品重量	0.4Kg

內容簡介

本書從工程應用的角度詳細闡述鎖相環技術的工作原理，利用MATLAB及System View仿真工具軟件討論典型電路的工作過程。以Altera公司的FPGA為開發平颱，以Verilog HDL語言為開發工具，詳細闡述鎖相環技術的FPGA實現原理、結構、方法，以及仿真測試過程和具體技術細節，主要包括設計平颱及開發環境介紹、鎖相環跟蹤相位的原理、FPGA實現數字信號處理基礎、鎖相環路模型、一階環路的FPGA實現、環路濾波器與鎖相環特性、二階環路的FPGA實現、鎖相環路性能分析、鎖相測速測距的FPGA實現。

作者簡介

杜勇，男，高級工程師，1976年生，碩士學位，畢業於國防科技大學，現工作於酒泉衛星發射中心。承擔的項目共計4項，主要方嚮為無綫通信技術的設計與實現，均為項目負責人，主要承擔項目總體方案設計、核心算法設計及FPGA實現、硬件電路闆的設計等工作。

目錄

章 設計環境及開發平颱介紹 1 1.1 FPGA基礎知識 2 1.1.1 基本概念及發展曆程 2 1.1.2 FPGA的結構和工作原理 4 1.1.3 FPGA在數字信號處理中的應用 12 1.2 Altera器件簡介 12 1.3 Verilog HDL語言簡介 15 1.3.1 HDL語言簡介 15 1.3.2 Verilog HDL語言特點 16 1.3.3 Verilog HDL程序結構 17 1.4 Quartus II開發套件 18 1.4.1 Quartus II開發套件簡介 18 1.4.2 Quartus II軟件的用戶界麵 19 1.5 ModelSim仿真軟件 22 1.6 MATLAB軟件 24 1.6.1 MATLAB軟件介紹 24 1.6.2 MATLAB工作界麵 24 1.6.3 MATLAB的特點及優勢 25 1.6.4 MATLAB與Quartus的數據交互 27 1.7 SystemView軟件 28 1.7.1 SystemView簡介 28 1.7.2 SystemView工作界麵 29 1.8 小結—欲善其事先利其器 32 第2章 FPGA數字信號處理基礎 33 2.1 FPGA中數的錶示 34 2.1.1 萊布尼茲與二進製 34 2.1.2 定點數錶示 35 2.1.3 浮點數錶示 36 2.2 FPGA中數的運算 40 2.2.1 加/減法運算 40 2.2.2 乘法運算 43 2.2.3 除法運算 44 2.2.4 有效數據位的計算 44 2.3 有限字長效應 47 2.3.1 字長效應的産生因素 47 2.3.2 A/D轉換的字長效應 48 2.3.3 係統運算中的字長效應 49 2.4 FPGA中的常用處理模塊 51 2.4.1 加法器模塊 51 2.4.2 乘法器模塊 53 2.4.3 除法器模塊 56 2.4.4 浮點運算模塊 57 2.5 小結—四個過橋人 59 第3章 鎖相環為什麼能夠跟蹤相位 61 3.1 鎖相環的組成 62 3.1.1 關注信號的相位分量 62 3.1.2 VCO是一個積分器件 63 3.1.3 正弦鑒相器還是餘弦鑒相器 65 3.1.4 環路濾波器的作用 68 3.2 從負反饋電路理解鎖相環 69 3.2.1 反饋電路的概念 69 3.2.2 負反饋電路的控製作用 70 3.2.3 鎖相環與基本負反饋電路的區彆 71 3.2.4 分析鎖相環的工作狀態 72 3.3 簡單的鎖相環 73 3.3.1 一階鎖相環的SystemView模型 73 3.3.2 確定VCO輸齣的同相支路 74 3.4 鎖相環的基本性能參數 77 3.4.1 捕獲及跟蹤過程 77 3.4.2 環路的基本性能要求 78 3.5 分析一階環的基本參數 79 3.5.1 數學方法求解一階環 79 3.5.2 圖解法分析一階環工作過程 81 3.5.3 工程設計與理論分析的差異 82 3.5.4 遺忘的參數——鑒相濾波器截止頻率 85 3.6 小結——韆條路與磨豆腐 87 第4章 一階鎖相環的FPGA實現 89 4.1 一階環的數字化模型 90 4.1.1 工程實例需求 90 4.1.2 數字鑒相器 91 4.1.3 數控振蕩器 92 4.1.4 計算環路增益 94 4.2 數字鑒相濾波器設計 95 4.2.1 FIR與IIR濾波器 95 4.2.2 MATLAB濾波器函數 97 4.2.3 FIR濾波器的MATLAB設計 100 4.2.4 量化濾波器係數 102 4.3 Verilog HDL代碼風格 105 4.3.1 文件接口聲明 105 4.3.2 變量的命名方式 106 4.3.3 模塊對齊方式 106 4.3.4 阻塞賦值和非阻塞賦值 107 4.3.5 注釋語句 107 4.4 一階環的Verilog HDL設計 108 4.4.1 新建FPGA工程 108 4.4.2 數字乘法器設計 110 4.4.3 低通濾波器設計 112 4.4.4 數控振蕩器設計 115 4.4.5 頂層文件設計 115 4.5 一階環的ModelSim仿真測試 119 4.5.1 MATLAB生成測試數據 119 4.5.2 編寫測試激勵文件 120 4.5.3 環路為什麼不能鎖定 122 4.5.4 繼續仿真分析環路性能 125 4.6 小結—科學的方法 127 第5章 從綫性方程到環路模型 129 5.1 綫性時不變係統 130 5.1.1 綫性係統的概念 130 5.1.2 時不變係統的概念 132 5.1.3 為什麼研究綫性時不變係統 132 5.2 信號的綫性分解 133 5.2.1 信號的常用分解方法 133 5.2.2 分析的化身—歐拉 135 5.2.3 “e”是一個函數的極限 137 5.2.4 泰勒、麥剋勞林與牛頓 139 5.2.5 上帝創造的公式—歐拉公式 141 5.3 從傅裏葉級數到Z變換 142 5.3.1 溫室效應的發現者—傅裏葉 142 5.3.2 傅裏葉級數是一篇美妙的樂章 143 5.3.3 負頻率信號是什麼信號？ 147 5.3.4 傅氏變換與拉氏變換 151 5.3.5 Z變換—離散時間係統分析工具 153 5.3.6 如何判斷係統是否穩定 156 5.4 鎖相環路的模型 158 5.5 小結—喬布斯的演講 160 第6章 環路濾波器決定鎖相環特性 163 6.1 簡單的環路濾波器—RC濾波器 164 6.1.1 RC低通濾波器的頻率特性 164 6.1.2 二階環路的傳輸函數 166 6.2 迴顧二階綫性電路 167 6.2.1 二階綫性電路與鎖相環 167 6.2.2 固有振蕩頻率與阻尼係數 168 6.2.3 單位階躍信號的響應分析 169 6.3 RC濾波器二階環的SystemView仿真 172 6.3.1 RC濾波器鎖相環路模型 172 6.3.2 鎖定狀態與阻尼係數的仿真 174 6.4 反饋環路的穩定性分析 177 6.4.1 係統穩定與鎖相環穩定的關係 177 6.4.2 頻率特性與環路的穩定 177 6.4.3 伯德圖分析方法 179 6.4.4 伯德圖分析RC二階環路的穩定性 180 6.4.5 二階環路的相位滯後是如何産生的 181 6.4.6 鑒相濾波器的影響 182 6.5 無源比例積分濾波器 184 6.5.1 頻率特性 184 6.5.2 環路的傳輸函數 185 6.5.3 環路穩定性分析及參數設計 186 6.5.4 環路的SystemView仿真 188 6.6 有源比例積分濾波器 189 6.6.1 頻率特性 189 6.6.2 環路的傳輸函數 191 6.6.3 環路穩定性分析及參數設計 193 6.6.4 環路的SystemView仿真 194 6.6.5 為什麼穩態相差可以為零 196 6.7 小結—世界上容易的事 198 第7章 二階環的FPGA實現 199 7.1 依據模擬環設計數字環 200 7.1.1 從模擬到數字——雙綫性變換 200 7.1.2 環路濾波器的數字化 202 7.1.3 理想二階環的參數設計 203 7.1.4 理想二階環的Verilog HDL設計 205 7.2 FPGA實現後的仿真測試 208 7.2.1 環路增益對鎖定性能的影響 208 7.2.2 頻差對鎖定性能的影響 210 7.2.3 環路捕獲範圍測試 211 7.3 理想二階環的數字化 213 7.3.1 NCO的數字化模型 213 7.3.2 環路的數字化模型 214 7.4 模擬與數字環路的關聯 215 7.4.1 確定環路濾波器係數 215 7.4.2 增益與環路濾波器係數的關係 216 7.4.3 兩種係數計算方法比較 216 7.5 小結—芝諾與莊子的哲學 217 第8章 鎖相環的性能分析 219 8.1 捕獲性能 220 8.1.1 捕獲過程 220 8.1.2 捕獲帶與捕獲時間 221 8.1.3 輔助捕獲方法 222 8.2 跟蹤性能 224 8.2.1 環路的穩態相差 224 8.2.2 環路的頻率特性 225 8.2.3 調製跟蹤與載波跟蹤 228 8.2.4 兩種跟蹤方式的SystemView仿真 229 8.3 噪聲性能 237 8.3.1 噪聲情況下的環路模型 237 8.3.2 輸齣相位噪聲方差 240 8.3.3 環路噪聲帶寬 241 8.3.4 環路信噪比 242 8.4 理想二階環設計公式 244 8.5 小結—興趣是好的老師 245 第9章 鎖相環解調PSK信號的FPGA實現 247 9.1 PSK調製解調原理 248 9.1.1 PSK調製原理及信號特徵 248 9.1.2 PSK信號的MATLAB仿真 249 9.1.3 鎖相環解調PSK原理 252 9.2 鎖相環路解調參數設計 254 9.2.1 總體性能參數設計 254 9.2.2 下變頻乘法器設計 256 9.2.3 下變頻低通濾波器設計 257 9.2.4 鑒相乘法器設計 259 9.2.5 數控振蕩器設計 260 9.2.6 環路濾波器設計 261 9.3 鎖相解調環的Verilog設計 262 9.3.1 頂層文件的Verilog設計 262 9.3.2 鑒相器的Verilog設計 264 9.3.3 環路濾波器的Verilog設計 265 9.4 鎖相解調環的仿真測試 266 9.4.1 環路捕獲範圍測試 266 9.4.2 NCO更新周期對環路增益的影響 267 9.5 小結—漁王的兒子 272 參考文獻 274

編輯推薦

著眼工程設計，精解設計實例；分解實現步驟，注重實現細節；完整仿真測試，詳細性能分析；提供完整代碼，迅速提升實力。

文摘

序言

《鎖相環技術原理與嵌入式係統應用》 內容概要： 本書深入淺齣地闡述瞭鎖相環（PLL）的核心原理，並重點聚焦於其在現代嵌入式係統設計中的實際應用。全書分為三個主要部分：原理篇、設計篇與應用篇。 原理篇 第一章 鎖相環基礎理論 本章將從最基礎的概念齣發，詳細介紹鎖相環的構成單元及其工作原理。我們將首先解析鎖相環的反饋控製特性，理解其如何通過負反饋機製實現對輸入信號的頻率和相位跟蹤。 1.1 鎖相環的基本構成與工作模式： 介紹鎖相環的四大核心組件：鑒相器（Phase Detector, PD）、低通濾波器（Loop Filter, LF）、壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）以及分頻器（optional, in fractional-N PLLs）。深入剖析不同類型的鑒相器，如模擬鑒相器（XOR, Charge Pump）和數字鑒相器（S-R Flip-Flop, JK Flip-Flop, Delay Line），分析它們的優缺點和適用場景。解釋鎖相環在鎖定狀態下的行為，包括頻率鎖定（Acquisition）和相位鎖定（Tracking）。 1.2 鎖相環傳遞函數與穩定性分析： 建立鎖相環的數學模型，推導其開環和閉環傳遞函數。詳細講解如何利用根軌跡、伯德圖等工具分析鎖相環的穩定性，理解捕捉範圍（Lock Acquisition Range）和跟蹤範圍（Tracking Range）的概念及其對環路設計的影響。引入環路帶寬（Loop Bandwidth）和阻尼係數（Damping Factor）等關鍵參數，闡述它們如何影響鎖相環的瞬態響應和穩態精度。 1.3 噪聲與抖動分析： 深入探討鎖相環係統中存在的各種噪聲源，包括VCO的相位噪聲、鑒相器的量化噪聲、濾波器的熱噪聲等。量化鎖相環的相位噪聲（Phase Noise）和周期抖動（Jitter）對輸齣信號質量的影響，並介紹常用的噪聲抑製技術，如選擇閤適的環路濾波器類型和參數。 第二章 鎖相環的進階理論 在掌握瞭基本原理後，本章將進一步深入探討鎖相環的設計與性能優化。 2.1 環路濾波器設計： 詳細介紹不同階數的環路濾波器（一階、二階、三階）的設計方法，包括選擇濾波器類型（PID, Proportional-Integral, PI, P），確定濾波器的組件值（電阻、電容）以達到期望的環路帶寬和阻尼係數。討論濾波器的非理想因素（如寄生電容）對性能的影響。 2.2 壓控振蕩器（VCO）特性： 分析VCO的壓控增益（Kvco）、調諧範圍、相位噪聲特性及其對鎖相環整體性能的影響。介紹不同類型的VCO，如環形振蕩器（Ring Oscillator）和LC振蕩器（LC Oscillator），並討論它們各自的優劣勢。 2.3 鑒相器（PD）和電荷泵（CP）的深入剖析： 詳細對比不同類型鑒相器的優缺點，包括其相位檢測精度、綫性度、捕獲範圍以及對輸入信號占空比的要求。深入剖析電荷泵的電流開關特性、死區時間（Dead Zone）效應及其對環路穩定性和抖動的影響。 2.4 分頻器的作用與類型： 介紹分頻器在鎖相環中的作用，特彆是分數N分頻（Fractional-N）鎖相環的實現，它允許在不增加小數位數的情況下實現更精細的頻率閤成。分析整數分頻和分數分頻鎖相環的區彆。 設計篇 第三章 鎖相環係統級設計 本章將指導讀者如何從係統需求齣發，進行閤理的鎖相環係統設計。 3.1 係統需求分析與參數選擇： 指導讀者如何根據應用場景（如時鍾生成、頻率閤成、數據恢復）確定鎖相環的關鍵性能指標，包括輸齣頻率範圍、頻率分辨率、相位噪聲要求、抖動指標、功耗限製等。 3.2 環路參數優化與仿真： 詳細介紹如何利用MATLAB/Simulink等仿真工具進行鎖相環的係統級仿真，包括構建模型、設置參數、進行瞬態和穩態分析。指導讀者如何根據仿真結果調整環路濾波器參數、VCO增益等，以優化鎖相環的性能。 3.3 實際設計中的挑戰與對策： 討論在實際硬件設計中可能遇到的問題，如電源噪聲、地綫乾擾、信號完整性等，並提供相應的解決方案。例如，如何進行有效的電源濾波和去耦，如何優化PCB布局布綫以降低寄生參數和噪聲耦閤。 第四章 鎖相環模塊級設計與電路實現 本章將聚焦於鎖相環各個組成模塊的具體電路實現。 4.1 鑒相器與電荷泵的電路實現： 介紹基於CMOS工藝的鑒相器（如XOR型、電荷泵型）和電荷泵的典型電路結構，討論如何優化其性能，降低功耗和提高精度。 4.2 環路濾波器的硬件實現： 講解不同階數環路濾波器的模擬和數字實現方式，包括RC濾波器、有源濾波器以及電荷泵濾波器。 4.3 壓控振蕩器（VCO）的電路設計： 介紹不同類型VCO（如環形振蕩器、LC振蕩器）的電路設計細節，包括晶體管尺寸、偏置電流的選擇，以及如何減小VCO的相位噪聲。 4.4 分頻器的設計與實現： 介紹整數分頻器（如T觸發器級聯）和分數分頻器（如Sigma-Delta調製）的電路結構和設計要點。 應用篇 第五章 鎖相環在嵌入式係統中的核心應用 本章將深入探討鎖相環在各種嵌入式係統中的實際應用。 5.1 時鍾生成與分配： 詳細闡述鎖相環如何作為核心時鍾源，為嵌入式處理器、ADC/DAC、通信接口等提供穩定、精確的時鍾信號。討論不同應用場景對時鍾質量的要求，以及如何通過鎖相環設計來滿足這些需求。 5.2 頻率閤成與倍頻： 講解鎖相環如何實現高精度、大範圍的頻率閤成，特彆是在通信係統中，用於生成各種射頻信號、本地振蕩信號等。分析分數N分頻技術在現代高性能頻率閤成中的重要性。 5.3 數據恢復與時鍾/數據恢復（CDR）： 詳細介紹鎖相環在串行通信中的關鍵作用——時鍾/數據恢復。分析其工作原理，如何從接收到的數據流中提取時鍾信號，並將其與數據同步。討論不同類型的CDR電路及其在高速通信接口（如USB, SATA, Ethernet）中的應用。 5.4 電源管理與低功耗設計： 探討鎖相環在動態電壓頻率調整（DVFS）等電源管理技術中的應用，如何通過調節時鍾頻率來優化係統功耗。 第六章 現代嵌入式係統中的鎖相環進階應用 本章將進一步拓展鎖相環在更復雜嵌入式係統設計中的應用。 6.1 低抖動時鍾閤成技術的實現： 針對對時鍾抖動要求極高的應用（如高性能ADC/DAC、精密儀器），介紹如何通過選擇低噪聲VCO、優化環路濾波器、采用先進的抖動抑製技術來設計低抖動鎖相環。 6.2 寬帶頻率閤成與多標準支持： 討論如何在同一硬件平颱上支持多種通信標準，通過寬帶鎖相環實現不同頻率的靈活切換，例如在軟件定義無綫電（SDR）係統中。 6.3 鎖相環在數字信號處理（DSP）中的應用： 介紹鎖相環如何與DSP算法結閤，實現更復雜的信號處理功能，如自適應均衡、相位校正等。 6.4 嵌入式係統中的時鍾同步與分布式係統： 探討在多處理器或分布式係統中，如何利用鎖相環實現各節點之間的精確時鍾同步，保證係統協同工作的穩定性。 結論 本書旨在為讀者提供一個全麵、係統、實用的鎖相環技術學習平颱。通過深入的原理闡述、詳細的設計指導和豐富的實際應用案例，讀者將能夠深刻理解鎖相環的工作機製，掌握其設計與實現方法，並能將其成功應用於各種復雜的嵌入式係統設計中，為開發高性能、高可靠性的電子産品打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和字體選擇給人一種非常傳統但可靠的感覺，就像一本經典教材那樣，重點突齣，圖錶清晰。作為一名側重於數字信號處理的工程師，我對書中關於如何利用FPGA實現數字鎖相環（DLL/DPLL）的部分尤其感興趣。作者詳細闡述瞭如何用查找錶（LUT）和查找錶-相位纍加器（LUT-PADDLE）結構來構建高精度的數字頻率閤成器，這部分內容寫得非常具體，甚至給齣瞭VHDL/Verilog代碼片段的僞代碼邏輯，使得抽象的算法概念變得觸手可及。我特彆欣賞作者在講解采樣和量化誤差時所采取的嚴謹態度，這直接關係到最終輸齣信號的抖動（Jitter）性能。唯一的建議是，對於初次接觸FPGA設計的讀者，可能需要額外的Verilog語法基礎纔能完全跟上書中代碼描述的節奏，或許可以在附錄中稍微補充一下FPGA設計流程的基本知識。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計挺有意思的，藍白相間的色調，加上一些電路圖的剪影，給人一種專業又嚴謹的感覺。我一直對電子工程領域很感興趣，特彆是信號處理和控製係統方麵，所以這本書自然而然地吸引瞭我。拿到手的時候，翻瞭幾頁，感覺作者的敘述風格非常紮實，從基礎概念的引入到復雜理論的推導，層層遞進，邏輯清晰。我注意到其中對傅裏葉分析和Z變換這些數學工具的應用講解得非常到位，這對於理解鎖相環（PLL）這種涉及時域和頻域轉換的係統至關重要。如果說有什麼期望的話，我希望作者能在案例分析中加入更多不同應用場景下的實際調試經驗，比如在射頻電路和數字通信係統中的具體實現細節和可能遇到的“陷阱”，這樣對於工程實踐者來說會更有指導意義。總的來說，這本書的體例結構和內容的深度，錶明瞭它是一本非常值得深入研讀的參考書，對於想要係統學習鎖相環理論的讀者來說，它提供瞭一個非常好的起點。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書的過程，就像是接受瞭一次關於時鍾同步技術的“高級特訓”。作者的語言風格非常正式，用詞精準，幾乎沒有可以産生歧義的模糊錶達。我尤其欣賞它在對比不同PLL架構時的客觀公正性，比如對模擬鎖相環（APLL）和全數字鎖相環（ADLL）的優缺點進行瞭詳盡的性能指標對比，包括功耗、鎖定速度和抗乾擾能力。書中對鎖相環的建立時間（Settling Time）分析，結閤瞭阻尼係數和自然頻率的計算，體現瞭深厚的控製論功底。如果說有什麼可以改進的地方，那就是在涉及到現代CMOS工藝和低功耗設計時，書中引用的具體器件參數和設計限製略顯陳舊。畢竟半導體技術發展飛速，如果能增加一些與先進工藝節點（如28nm及以下）相關的挑戰與應對策略的討論，這本書的實用性將會得到質的飛躍。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值在於其體係的完整性。它不僅僅停留在“如何設計一個PLL”的層麵，而是深入挖掘瞭“為什麼是這種設計”的根本原因。我注意到書中有一章專門探討瞭各種鎖定判據和同步策略，例如早期收購（EAC）和循環搜索（Cycle-slip）的機製，這些在實際通信係統中是決定性能的關鍵因素。作者通過大量的數學公式和規範的符號定義，構建瞭一個堅實的理論框架。然而，從一個更側重於係統集成的角度來看，書中對外部乾擾和噪聲源的建模和抑製策略可以再細化一些。比如，電源噪聲耦閤（PSRR）對VCO相位噪聲的影響，以及如何通過闆級設計（Layout）來緩解這些問題，這些都是實戰中繞不開的話題。總體而言，這本書更像是理論研究者的案頭必備，需要讀者具備一定的數學功底纔能完全領會其精髓。

評分☆☆☆☆☆

我不得不說，初次接觸這本書時，對其厚度和內容密度感到一絲壓力。它顯然不是那種走馬觀花的入門讀物，而是瞄準瞭希望深入理解底層機理的硬核讀者。書中對於環路濾波器的設計，特彆是如何平衡相位裕度和帶寬，那部分的數學推導看得我直冒冷汗，但最終理解後的成就感也隨之而來。作者似乎很擅長將抽象的控製理論與具體的硬件實現掛鈎。例如，在討論 VCO（壓控振蕩器）的非綫性特性時，書中並沒有簡單地將其視為理想模型，而是深入分析瞭其對整體係統穩定性的影響，這一點非常難得。不過，略感遺憾的是，對於現代設計流程中越來越流行的基於軟件仿真的驗證方法，比如使用 MATLAB/Simulink 進行係統級建模和仿真，書中的著墨似乎略顯不足。如果能增加一些關於如何建立精確模型並進行參數掃描的章節，對於現代工程師來說會更加貼閤實際需求。