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
這本書的作者顯然對鎖相環技術的發展脈絡有著非常清晰的認識。在迴顧瞭經典模擬PLL的發展曆程後,它並沒有固步自封,而是果斷地將重點轉嚮瞭現代通信係統中不可或缺的數字實現。閱讀過程中,我能感受到一種強烈的時代感——它關注的是當前和未來工程應用中最熱門的技術棧。例如,書中對分數鎖定(Fractional-N)鎖相環的講解,不僅涵蓋瞭傳統的調製技術,還討論瞭現代Σ-Δ調製器如何有效降低相位噪聲,這對射頻前端設計工程師來說是至關重要的信息。此外,它對環路穩定性和瞬態響應的分析,不再是簡單的二階係統建模,而是引入瞭更高階的考量,並且指導讀者如何利用仿真工具進行更精確的預測。這本書的整體視野開闊,內容組織邏輯清晰,絕對是相關領域技術人員案頭必備的一本高質量參考資料,它提供的知識深度和廣度,足以支持進行復雜係統的設計與調試工作。
評分這本書的排版真是沒得說,從封麵設計到內文的字體選擇,都透露齣一種嚴謹又不失活潑的氣息。拿到手裏沉甸甸的,感覺就是一本用心打磨的作品。尤其是那些復雜的電路圖和算法流程圖,畫得清晰明瞭,即便是初次接觸鎖相環技術的讀者,也能大緻領會其核心思想。作者在講解概念時,沒有一股腦堆砌晦澀的專業術語,而是擅長用生活中的類比來解釋抽象的原理,比如將頻率的鎖定過程比作兩個人在賽跑中努力保持相同的步頻,這種接地氣的講解方式,極大地降低瞭學習門檻。對於我們這些在實際工程中摸爬滾打的人來說,這種既有理論深度又有實踐指導意義的書籍簡直是寶藏。我尤其欣賞其中穿插的一些“陷阱”分析,提醒讀者在實際調試中容易在哪裏栽跟頭,這些經驗之談遠比純理論推導來得珍貴。可以說,光是閱讀這本手冊的排版和結構設計,本身就是一種享受,讓人有持續讀下去的動力。
評分我最近在忙一個關於高速數據恢復的項目,被時鍾同步問題搞得焦頭爛耳,市麵上那些泛泛而談的參考資料根本幫不上什麼實質性忙。朋友推薦瞭這本,拿到手我抱著試試看的心態翻瞭一下,結果立刻被它對數字鎖相環(DPLL)部分的深度解析所吸引。作者沒有停留在傳統的模擬PLL(鎖相環)的經典分析上,而是花瞭大量篇幅詳細剖析瞭現代FPGA架構下如何高效實現這些復雜的算法,從Verilog HDL的編碼風格到資源優化策略,描述得極其詳盡。特彆是關於噪聲抑製和相位抖動(Jitter)的量化分析部分,給齣瞭具體的數學模型和仿真驗證流程,這對於追求極緻性能的工程師來說,無疑是提供瞭直接可用的工具箱。我按照書中的步驟重新設計瞭我的DPLL模塊,效果立竿見影,性能指標有瞭顯著提升,這種從理論到代碼實現的無縫銜接,是很多教材所欠缺的。
評分作為一名信號處理的入門者,我最大的睏擾就是麵對大量公式時産生的畏難情緒。這本書給我的感覺就像是請瞭一位耐心且知識淵博的導師在身邊進行一對一輔導。它不是那種隻給齣現成公式然後讓你死記硬背的類型,而是會追溯每一個關鍵公式的推導過程,比如如何從誤差信號推導齣環路濾波器的設計參數,每一步的物理意義都解釋得清清楚楚。最讓我印象深刻的是,作者在介紹NCO(數字壓控振蕩器)時,不僅講解瞭直接數字閤成(DDS)的基本原理,還深入探討瞭相位截斷誤差的補償技術,這在很多基礎讀物中是完全看不到的細節。這種對細節的執著和對讀者理解程度的關懷,讓這本書的價值遠超一本普通的教科書,更像是一本可以伴隨職業生涯成長的參考手冊。閱讀體驗非常流暢,每學完一個章節,都感覺自己的知識體係又得到瞭鞏固和擴展。
評分這本書的魅力在於它對“實現”二字的深刻理解。很多關於鎖相環的書籍都停留在“原理”層麵,告訴你它應該怎麼工作,但一旦涉及到實際硬件平颱,尤其是FPGA這種靈活又需要精細控製的載體時,理論往往就失靈瞭。這本書則非常務實地架起瞭這座橋梁。它不僅討論瞭環路帶寬、阻尼係數這些設計參數,更重要的是,它深入探討瞭在有限資源和有限時鍾域的FPGA芯片上,如何權衡速度、精度與資源消耗。書中給齣的那些基於特定FPGA傢族的宏定義和IP核調用建議,具有極強的可操作性。我嘗試用書中的方法在Xilinx的平颱上實現瞭一個低功耗的頻率閤成器,發現其對資源占用的預估非常準確,這極大地節省瞭我前期實驗的試錯成本。這種將學術理論與工程實踐緊密結閤的敘事方式,是這本書最讓我激賞的地方。
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