基本信息
書名:鎖相環技術原理及FPGA實現
定價:68.00元
作者:杜勇著
齣版社:電子工業齣版社
齣版日期:2016-05-01
ISBN:9787121287381
字數:
頁碼:
版次:1
裝幀:平裝
開本:16開
商品重量:0.4kg
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。
內容提要
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。
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
作者介紹
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。
文摘
序言
這本書的語言風格,雖然是技術手冊,但也透露齣一種對知識傳遞的耐心。我注意到有些技術書籍的作者習慣使用過於晦澀的術語,導緻閱讀體驗不佳,尤其是在解釋復雜的數學公式時。我希望這本關於鎖相環的書能夠采用一種更加平易近人的方式來闡述諸如“一階/二階環路對階躍響應的影響”或“環路帶寬與鎖定時間之間的權衡”這些核心概念。如果能用類比或者圖形化的方式來輔助理解,即使是初次接觸控製理論的電子工程學生,也能快速建立起直觀感受。對於FPGA代碼的注釋和規範性也同樣重要,清晰的命名約定和模塊化的代碼結構,不僅方便讀者理解當前的實現邏輯,也為讀者後續根據自身需求修改和擴展代碼提供瞭良好的基礎。一個優秀的教程,其價值不應僅在於傳授知識點,更在於教會學習者如何像一個工程師一樣去思考和解決問題。
評分拿到書本後,我立刻翻閱瞭目錄結構,給我留下最深刻印象的是其章節布局的閤理性。它似乎采用瞭循序漸進的方式,從最基礎的反饋控製係統概念講起,逐步過渡到PLL的各個組成部分的精細解析。我特彆關注瞭其中關於“非綫性特性對環路性能的影響”這一塊,因為在實際高頻設計中,晶體管的非綫性、量化噪聲等因素往往是導緻性能瓶頸的關鍵。如果這本書能夠深入探討如何通過設計技巧(比如采用特定的鑒相器結構或先進的環路濾波器拓撲)來抑製這些非綫性失真,那它的價值就不僅僅是入門級彆瞭,而是可以作為進階參考手冊。此外,對於FPGA實現部分,我希望它不僅僅是展示如何調用IP核,更重要的是能剖析這些IP核背後的設計思想。例如,為什麼在Xilinx或Intel的FPGA中,特定的PLL結構在速度和相位噪聲上會有差異?這種對底層架構的揭示,纔是真正體現一本書深度的地方,它能幫助讀者建立起對整個數字頻率閤成係統的整體認知框架,而不是僅僅停留在“會用”的層麵。
評分這本書的封麵設計得相當專業,字體和排版都透露齣一種嚴謹的技術氣息,雖然我還沒深入閱讀,但光從包裝就能感受到它在內容深度上的追求。我一直在尋找一本能夠係統梳理鎖相環(PLL)核心理論,同時又緊密結閤現代硬件描述語言(如VHDL或Verilog)進行實際FPGA工程實現的參考書。市麵上很多資料要麼過於偏重理論推導,讓初學者望而卻步,要麼就是隻停留在簡單的代碼示例層麵,缺乏對整個設計流程和底層物理實現機製的深入剖析。我期望這本書能成為連接理論與實踐的橋梁,用清晰的邏輯串聯起振蕩器、鑒相器、環路濾波器這些關鍵模塊的工作原理,並詳細展示如何利用FPGA資源(如DCM/MMCM的內部結構或通過邏輯單元手動搭建PLL)來實現頻率閤成和時鍾管理功能。特彆是對於那些想深入理解高精度頻率控製、抖動分析以及如何優化環路參數以適應不同應用場景(如通信、高速數據采集)的工程師來說,一本涵蓋這些高級主題的權威教材是至關重要的。從書名來看,它似乎正是瞄準瞭這個需求,希望它能提供詳實的數學模型和可操作的硬件描述代碼,而非僅僅是概念的羅列。
評分關於性能指標的量化和對比,是我評估任何EE類書籍深度的重要標尺。鎖相環的優劣往往是通過相位噪聲掩模、RMS抖動值、鎖定時間等具體參數來衡量的。我非常期待看到書中對不同設計參數組閤如何影響這些關鍵指標的詳細實驗數據或仿真結果。例如,當環路帶寬增加一倍時,相位噪聲在特定頻率處的衰減情況是如何變化的?如果能提供一個章節專門用於“設計優化案例分析”,比如針對特定應用(如無綫通信基帶同步或高性能ADC的時鍾源)的PLL設計案例,並對比其性能指標的優劣,那就再好不過瞭。這種基於實際數據和對比分析的論述,遠比空泛的理論描述來得有力,它能幫助讀者在實際工作中做齣明智的設計決策,避免陷入“黑盒”操作的誤區。一本真正深入的書,一定會用量化的證據來支撐其設計理念。
評分從一個長期從事嵌入式係統開發的視角來看,這本書的實用性是首要考量的標準。很多教科書在理論上完美無瑕,但在實際的芯片資源約束下,它們的理論模型往往需要大量的工程妥協。我非常好奇這本書是如何處理“資源受限”和“時序收斂”這兩大工程難題的。例如,當需要設計一個跨越多個時鍾域且對相位噪聲要求極高的係統時,書中所提供的FPGA實現方案是否考慮瞭時鍾域交叉(CDC)的同步問題?另外,如果它能提供關於如何使用仿真工具(如ModelSim或Vivado Simulator)對搭建的PLL進行噪聲和相位裕度仿真,那將是一個巨大的加分項。因為在硬件實現之前,精確的仿真驗證是確保係統穩定運行的生命綫。我期待看到的是一套完整的、可追溯的設計流程:從規格定義到係統級仿真,再到RTL編碼,最後到FP門級仿真和闆級調試的經驗分享,這纔能稱得上是真正的“原理及實現”的完整體現。
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