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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，详细阐述数字通信同步技术的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FPGA实现数字信号处理基础、锁相环技术原理、载波同步、自动频率控制、位同步、帧同步技术的设计与实现等内容。本书思路清晰、语言流畅、分析透彻，在简明阐述设计原理的基础上，追求对工程实践的指导性，力求使读者在较短的时间内掌握数字通信同步技术的FPGA设计知识和技能。

第1章　同步技术的概念及FPGA基础	（1）
1.1　数字通信中的同步技术	（2）
1.2　同步技术的实现方法	（4）
1.2.1　两种不同的实现原理	（4）
1.2.2　常用的工程实现途径	（5）
1.3　FPGA概念及其在信号处理中的应用	（6）
1.3.1　基本概念及发展历程	（6）
1.3.2　FPGA的结构和工作原理	（7）
1.3.3　FPGA在数字信号处理中的应用	（13）
1.4　Xilinx器件简介	（14）
1.4.1　Xilinx器件概况	（14）
1.4.2　Spartan系列器件	（16）
1.4.3　Virtex系列器件	（17）
1.5　VHDL语言简介	（19）
1.6　FPGA设计工具及开发流程	（22）
1.6.1　ISE开发套件	（22）
1.6.2　ModelSim仿真软件	（25）
1.6.3　Synplicity综合软件	（27）
1.6.4　FPGA设计流程	（29）
1.7　MATLAB软件	（31）
1.8　MATLAB与ISE的数据交互	（34）
1.9　FPGA信号处理板CXD301	（35）
1.10　小结	（36）
第2章　FPGA实现数字信号处理基础	（39）
2.1　FPGA中数的表示	（40）
2.1.1　莱布尼兹与二进制	（40）
2.1.2　定点数表示	（41）
2.1.3　浮点数表示	（42）
2.2　FPGA中数的运算	（45）
2.2.1　加/减法运算	（45）
2.2.2　乘法运算	（48）
2.2.3　除法运算	（50）
2.2.4　有效数据位的计算	（51）
2.3　有限字长效应	（54）
2.3.1　字长效应的产生因素	（54）
2.3.2　A/D变换的字长效应	（54）
2.3.3　系统运算中的字长效应	（55）
2.4　FPGA中的常用处理模块	（57）
2.4.1　加法器模块	（57）
2.4.2　乘法器模块	（60）
2.4.3　除法器模块	（65）
2.4.4　浮点运算模块	（68）
2.4.5　滤波器模块	（70）
2.4.6　数字频率器模块	（72）
2.5　小结	（74）
第3章　锁相技术原理及应用	（75）
3.1　锁相环的工作原理	（76）
3.1.1　锁相环路的模型	（76）
3.1.2　锁定与跟踪的概念	（77）
3.1.3　环路的基本性能要求	（78）
3.2　锁相环的组成	（78）
3.2.1　鉴相器	（79）
3.2.2　环路滤波器	（79）
3.2.3　压控振荡器	（81）
3.3　锁相环路的动态方程	（81）
3.3.1　非线性相位模型	（81）
3.3.2　线性相位模型	（83）
3.3.3　环路的传递函数	（83）
3.4　锁相环路的性能分析	（85）
3.4.1　暂态信号响应	（85）
3.4.2　环路的频率响应	（87）
3.4.3　环路的稳定性	（89）
3.4.4　非线性跟踪性能	（91）
3.4.5　环路的捕获性能	（92）
3.4.6　环路的噪声性能	（93）
3.5　锁相环路的应用	（95）
3.5.1　环路的两种跟踪状态	（95）
3.5.2　调频解调器	（96）
3.5.3　调相解调器	（97）
3.5.4　调幅信号的相干解调	（97）
3.5.5　锁相调频器	（98）
3.5.6　锁相调相器	（98）
3.6　小结	（99）
第4章　载波同步的FPGA实现	（101）
4.1　载波同步的原理	（102）
4.1.1　载波同步的概念及实现方法	（102）
4.1.2　锁相环的工作方式	（103）
4.2　锁相环路的数字化模型	（104）
4.2.1　数字鉴相器	（104）
4.2.2　数字环路滤波器	（105）
4.2.3　数字控制振荡器	（106）
4.2.4　数字环路的动态方程	（106）
4.3　输入信号建模与仿真	（108）
4.3.1　工程实例需求	（108）
4.3.2　输入信号模型	（109）
4.3.3　输入信号的MATLAB仿真	（110）
4.4　载波同步环的参数设计	（113）
4.4.1　总体性能参数设计	（113）
4.4.2　数字鉴相器设计	（114）
4.4.3　环路滤波器及数控振荡器设计	（117）
4.5　载波同步环的FPGA实现	（119）
4.5.1　顶层模块的VHDL实现	（119）
4.5.2　IIR低通滤波器的VHDL实现	（123）
4.5.3　环路滤波器的VHDL实现	（127）
4.5.4　同步环路的FPGA实现	（129）
4.6　载波同步环的仿真测试	（131）
4.6.1　测试激励的VHDL设计	（131）
4.6.2　单载波输入信号的仿真测试	（134）
4.6.3　调幅波输入信号的仿真测试	（138）
4.6.4　关于载波环路参数的讨论	（141）
4.7　载波同步环的板载测试	（143）
4.7.1　硬件接口电路	（143）
4.7.2　板载测试程序	（143）
4.7.3　板载测试验证	（147）
4.8　小结	（148）
第5章　抑制载波同步的FPGA实现	（149）
5.1　抑制载波同步的原理	（150）
5.1.1　平方环工作原理	（150）
5.1.2　同相正交环工作原理	（151）
5.1.3　判决反馈环工作原理	（152）
5.2　输入信号建模与仿真	（154）
5.2.1　工程实例需求	（154）
5.2.2　DPSK调制原理及信号特征	（154）
5.2.3　DPSK信号传输模型及仿真	（155）
5.3　平方环的FPGA实现	（157）
5.3.1　改进的平方环原理	（157）
5.3.2　环路性能参数设计	（158）
5.3.3　带通滤波器设计	（159）
5.3.4　顶层模块的VHDL实现	（161）
5.3.5　带通滤波器的VHDL实现	（165）
5.3.6　其他模块的VHDL实现	（171）
5.3.7　FPGA实现后的仿真测试	（171）
5.3.8　平方环的板载实验	（173）
5.4　同相正交环的FPGA实现	（176）
5.4.1　环路性能参数设计	（176）
5.4.2　低通滤波器VHDL实现	（177）
5.4.3　其他模块的VHDL实现	（179）
5.4.4　顶层模块的VHDL实现	（179）
5.4.5　FPGA实现后的仿真测试	（182）
5.4.6　同相支路的判决及码型变换	（184）
5.4.7　同相正交环的板载实验	（186）
5.5　判决反馈环的FPGA实现	（191）
5.5.1　环路性能参数设计	（191）
5.5.2　顶层模块的VHDL实现	（191）
5.5.3　积分判决模块的VHDL实现	（195）
5.5.4　FPGA实现后的仿真测试	（198）
5.6　小结	（199）
第6章　自动频率控制的FPGA实现	（201）
6.1　自动频率控制的概念	（202）
6.2　最大似然频偏估计的FPGA实现	（203）
6.2.1　最大似然频偏估计的原理[1]	（203）
6.2.2　最大似然频偏估计的MATLAB仿真	（205）
6.2.3　频偏估计的FPGA实现方法	（207）
6.2.4　CORDIC核的使用	（209）
6.2.5　顶层文件的VHDL实现	（212）
6.2.6　频偏估计模块的VHDL实现	（216）
6.2.7　FPGA实现及仿真测试	（220）
6.3　基于FFT载频估计的FPGA实现	（221）
6.3.1　离散傅里叶变换	（221）
6.3.2　FFT算法原理及MATLAB仿真	（223）
6.3.3　FFT核的使用	（226）
6.3.4　输入信号建模与MATLAB仿真	（228）
6.3.5　基于FFT载频估计的VHDL实现	（229）
6.3.6　FPGA实现及仿真测试	（233）
6.4　FSK信号调制解调原理	（234）
6.4.1　数字频率调制	（234）
6.4.2　FSK信号的MATLAB仿真	（236）
6.4.3　FSK相干解调原理	（238）
6.4.4　AFC环解调FSK信号的原理	（240）
6.5　AFC环的FPGA实现	（242）
6.5.1　环路参数设计	（242）
6.5.2　顶层模块的VHDL实现	（244）
6.5.3　鉴频器模块的VHDL实现	（248）
6.5.4　FPGA实现及仿真测试	（249）
6.5.5　AFC环的板载测试	（250）
6.6　小结	（254）
第7章　位同步技术的FPGA实现	（255）
7.1　锁相环位同步技术原理	（256）
7.1.1　位同步技术概念及分类	（256）
7.1.2　数字锁相环位同步技术	（257）
7.2　微分型位同步的FPGA实现	（259）
7.2.1　微分型位同步的原理	（259）
7.2.2　顶层模块的VHDL实现	（261）
7.2.3　双相时钟信号的VHDL实现	（264）
7.2.4　微分鉴相模块的VHDL实现	（266）
7.2.5　单稳触发器的VHDL实现	（267）
7.2.6　控制及分频模块的VHDL实现	（269）
7.2.7　位同步形成及移相模块的VHDL实现	（270）
7.2.8　FPGA实现及仿真测试	（272）
7.2.9　微分型位同步环的板载实验	（274）
7.3　积分型位同步的FPGA实现	（276）
7.3.1　积分型位同步的原理	（276）
7.3.2　顶层模块的VHDL实现	（278）
7.3.3　积分模块的VHDL实现	（282）
7.3.4　鉴相模块的VHDL实现	（283）
7.3.5　FPGA实现及仿真测试	（284）
7.4　改进位同步技术的FPGA实现	（286）
7.4.1　正交支路积分输出门限判决法	（286）
7.4.2　数字式滤波器法的工作原理	（288）
7.4.3　随机徘徊滤波器的VHDL实现	（288）
7.4.4　随机徘徊滤波器的仿真测试	（290）
7.4.5　改进的数字滤波器工作原理	（291）
7.4.6　改进滤波器的VHDL实现	（292）
7.5　小结	（294）
第8章　插值算法位同步技术的FPGA实现	（295）
8.1　插值算法位同步技术原理	（296）
8.1.1　插值算法总体结构	（296）
8.1.2　内插滤波器原理及结构	（296）
8.1.3　Gardner误差检测算法	（298）
8.1.4　环路滤波器与数控振荡器	（300）
8.2　插值算法位同步技术的MATLAB仿真	（301）
8.2.1　设计环路滤波器系数	（301）
8.2.2　分析位定时算法MATLAB仿真程序	（302）
8.2.3　简化后的插值位同步算法仿真	（306）
8.3　插值算法位同步技术的FPGA实现	（310）
8.3.1　顶层模块的VHDL设计	（310）
8.3.2　插值滤波模块的VHDL设计	（312）
8.3.3　误差检测及环路滤波器模块的VHDL设计	（315）
8.3.4　数控振荡器模块的VHDL设计	（317）
8.3.5　FPGA实现后的仿真测试	（318）
8.4　插值算法位同步环的板载测试	（319）
8.4.1　硬件接口电路	（319）
8.4.2　板载测试程序	（320）
8.4.3　板载测试验证	（320）
8.5　小结	（321）

第9章　帧同步技术的FPGA实现	（323）
9.1　异步传输与同步传输的概念	（324）
9.1.1　异步传输的概念	（324）
9.1.2　同步传输的概念	（325）
9.1.3　异步传输与同步传输的区别	（325）
9.2　起止式同步的FPGA实现	（326）
9.2.1　RS-232串口通信协议	（326）
9.2.2　顶层模块的VHDL实现	（328）
9.2.3　时钟模块的VHDL实现	（330）
9.2.4　数据接收模块的VHDL实现	（331）
9.2.5　数据发送模块的VHDL实现	（334）
9.2.6　串口通信的板载测试	（335）
9.3　帧同步码组及其检测原理	（337）
9.3.1　帧同步码组的选择	（337）
9.3.2　间隔式插入法的检测原理	（339）
9.3.3　连贯式插入法的检测原理	（339）
9.3.4　帧同步的几种状态	（341）
9.4　连贯式插入法帧同步的FPGA实现	（342）
9.4.1　实例要求及总体模块设计	（342）
9.4.2　搜索模块的VHDL实现及仿真	（345）
9.4.3　校核模块的VHDL实现及仿真	（349）
9.4.4　同步模块的VHDL实现及仿真	（353）
9.4.5　帧同步系统的FPGA实现及仿真	（358）
9.4.6　帧同步电路的板载测试	（359）
9.5　小结	（363）
参考文献	（365）

科技—通信与网络—通信技术与应用—无线通信与移动通信

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。

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数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现——Xilinx/VHDL版