鎖相環(huán)技術(shù)原理及FPGA實(shí)現(xiàn)

第1章  設(shè)計(jì)環(huán)境及開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 1
1．1  FPGA基礎(chǔ)知識(shí) 2
1．1．1  基本概念及發(fā)展歷程 2
1．1．2  FPGA的結(jié)構(gòu)和工作原理 4
1．1．3  FPGA在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用 12
1．2  Altera器件簡(jiǎn)介 12
1．3  Verilog HDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介 15
1．3．1  HDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介 15
1．3．2  Verilog HDL語(yǔ)言特點(diǎn) 16
1．3．3  Verilog HDL程序結(jié)構(gòu) 17
1．4  Quartus II開(kāi)發(fā)套件 18
1．4．1  Quartus II開(kāi)發(fā)套件簡(jiǎn)介 18
1．4．2  Quartus II軟件的用戶(hù)界面 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工作界面 24
1．6．3  MATLAB的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 25
1．6．4  MATLAB與Quartus的數(shù)據(jù)交互 27
1．7  SystemView軟件 28
1．7．1  SystemView簡(jiǎn)介 28
1．7．2  SystemView工作界面 29
1．8  小結(jié)―欲善其事先利其器 32
第2章  FPGA數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ) 33
2．1  FPGA中數(shù)的表示 34
2．1．1  萊布尼茲與二進(jìn)制 34
2．1．2  定點(diǎn)數(shù)表示 35
2．1．3  浮點(diǎn)數(shù)表示 36
2．2  FPGA中數(shù)的運(yùn)算 40
2．2．1  加/減法運(yùn)算 40
2．2．2  乘法運(yùn)算 43
2．2．3  除法運(yùn)算 44
2．2．4  有效數(shù)據(jù)位的計(jì)算 44
2．3  有限字長(zhǎng)效應(yīng) 47
2．3．1  字長(zhǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生因素 47
2．3．2  A/D轉(zhuǎn)換的字長(zhǎng)效應(yīng) 48
2．3．3  系統(tǒng)運(yùn)算中的字長(zhǎng)效應(yīng) 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(diǎn)運(yùn)算模塊 57
2．5  小結(jié)―四個(gè)過(guò)橋人 59
第3章  鎖相環(huán)為什么能夠跟蹤相位 61
3．1  鎖相環(huán)的組成 62
3．1．1  關(guān)注信號(hào)的相位分量 62
3．1．2  VCO是一個(gè)積分器件 63
3．1．3  正弦鑒相器還是余弦鑒相器 65
3．1．4  環(huán)路濾波器的作用 68
3．2  從負(fù)反饋電路理解鎖相環(huán) 69
3．2．1  反饋電路的概念 69
3．2．2  負(fù)反饋電路的控制作用 70
3．2．3  鎖相環(huán)與基本負(fù)反饋電路的區(qū)別 71
3．2．4  分析鎖相環(huán)的工作狀態(tài) 72
3．3  最簡(jiǎn)單的鎖相環(huán) 73
3．3．1  一階鎖相環(huán)的SystemView模型 73
3．3．2  確定VCO輸出的同相支路 74
3．4  鎖相環(huán)的基本性能參數(shù) 77
3．4．1  捕獲及跟蹤過(guò)程 77
3．4．2  環(huán)路的基本性能要求 78
3．5  分析一階環(huán)的基本參數(shù) 79
3．5．1  數(shù)學(xué)方法求解一階環(huán) 79
3．5．2  圖解法分析一階環(huán)工作過(guò)程 81
3．5．3  工程設(shè)計(jì)與理論分析的差異 82
3．5．4  遺忘的參數(shù)――鑒相濾波器截止頻率 85
3．6  小結(jié)――千條路與磨豆腐 87
第4章  一階鎖相環(huán)的FPGA實(shí)現(xiàn) 89
4．1  一階環(huán)的數(shù)字化模型 90
4．1．1  工程實(shí)例需求 90
4．1．2  數(shù)字鑒相器 91
4．1．3  數(shù)控振蕩器 92
4．1．4  計(jì)算環(huán)路增益 94
4．2  數(shù)字鑒相濾波器設(shè)計(jì) 95
4．2．1  FIR與IIR濾波器 95
4．2．2  MATLAB濾波器函數(shù) 97
4．2．3  FIR濾波器的MATLAB設(shè)計(jì) 100
4．2．4  量化濾波器系數(shù) 102
4．3  Verilog HDL代碼風(fēng)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(duì)齊方式 106
4．3．4  阻塞賦值和非阻塞賦值 107
4．3．5  注釋語(yǔ)句 107
4．4  一階環(huán)的Verilog HDL設(shè)計(jì) 108
4．4．1  新建FPGA工程 108
4．4．2  數(shù)字乘法器設(shè)計(jì) 110
4．4．3  低通濾波器設(shè)計(jì) 112
4．4．4  數(shù)控振蕩器設(shè)計(jì) 115
4．4．5  頂層文件設(shè)計(jì) 115
4．5  一階環(huán)的ModelSim仿真測(cè)試 119
4．5．1  MATLAB生成測(cè)試數(shù)據(jù) 119
4．5．2  編寫(xiě)測(cè)試激勵(lì)文件 120
4．5．3  環(huán)路為什么不能鎖定 122
4．5．4  繼續(xù)仿真分析環(huán)路性能 125
4．6  小結(jié)―科學(xué)的方法 127
第5章  從線性方程到環(huán)路模型 129
5．1  線性時(shí)不變系統(tǒng) 130
5．1．1  線性系統(tǒng)的概念 130
5．1．2  時(shí)不變系統(tǒng)的概念 132
5．1．3  為什么研究線性時(shí)不變系統(tǒng) 132
5．2  信號(hào)的線性分解 133
5．2．1  信號(hào)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(gè)函數(shù)的極限 137
5．2．4  泰勒、麥克勞林與牛頓 139
5．2．5  上帝創(chuàng)造的公式―歐拉公式 141
5．3  從傅里葉級(jí)數(shù)到Z變換 142
5．3．1  溫室效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者―傅里葉 142
5．3．2  傅里葉級(jí)數(shù)是一篇美妙的樂(lè)章 143
5．3．3  負(fù)頻率信號(hào)是什么信號(hào)？ 147
5．3．4  傅氏變換與拉氏變換 151
5．3．5  Z變換―離散時(shí)間系統(tǒng)分析工具 153
5．3．6  如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定 156
5．4  鎖相環(huán)路的模型 158
5．5  小結(jié)―喬布斯的演講 160
第6章  環(huán)路濾波器決定鎖相環(huán)特性 163
6．1  最簡(jiǎn)單的環(huán)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(huán)路的傳輸函數(shù) 166
6．2  回顧二階線性電路 167
6．2．1  二階線性電路與鎖相環(huán) 167
6．2．2  固有振蕩頻率與阻尼系數(shù) 168
6．2．3  單位階躍信號(hào)的響應(yīng)分析 169
6．3  RC濾波器二階環(huán)的SystemView仿真 172
6．3．1  RC濾波器鎖相環(huán)路模型 172
6．3．2  鎖定狀態(tài)與阻尼系數(shù)的仿真 174
6．4  反饋環(huán)路的穩(wěn)定性分析 177
6．4．1  系統(tǒng)穩(wěn)定與鎖相環(huán)穩(wěn)定的關(guān)系 177
6．4．2  頻率特性與環(huán)路的穩(wěn)定性關(guān)系 177
6．4．3  伯德圖分析方法 179
6．4．4  伯德圖分析RC二階環(huán)路的穩(wěn)定性 180
6．4．5  二階環(huán)路的相位滯后是如何產(chǎn)生的 181
6．4．6  鑒相濾波器的影響 182
6．5  無(wú)源比例積分濾波器 184
6．5．1  頻率特性 184
6．5．2  環(huán)路的傳輸函數(shù) 185
6．5．3  環(huán)路穩(wěn)定性分析及參數(shù)設(shè)計(jì) 186
6．5．4  環(huán)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(huán)路的傳輸函數(shù) 191
6．6．3  環(huán)路穩(wěn)定性分析及參數(shù)設(shè)計(jì) 193
6．6．4  環(huán)路的SystemView仿真 194
6．6．5  為什么穩(wěn)態(tài)相差可以為零 196
6．7  小結(jié)―世界上最容易的事 198
第7章  二階環(huán)的FPGA實(shí)現(xiàn) 199
7．1  依據(jù)模擬環(huán)設(shè)計(jì)數(shù)字環(huán) 200
7．1．1  從模擬到數(shù)字――雙線性變換 200
7．1．2  環(huán)路濾波器的數(shù)字化 202
7．1．3  理想二階環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì) 203
7．1．4  理想二階環(huán)的Verilog HDL設(shè)計(jì) 205
7．2  FPGA實(shí)現(xiàn)后的仿真測(cè)試 208
7．2．1  環(huán)路增益對(duì)鎖定性能的影響 208
7．2．2  頻差對(duì)鎖定性能的影響 210
7．2．3  環(huán)路捕獲范圍測(cè)試 211
7．3  理想二階環(huán)的數(shù)字化 213
7．3．1  NCO的數(shù)字化模型 213
7．3．2  環(huán)路的數(shù)字化模型 214
7．4  模擬與數(shù)字環(huán)路的關(guān)聯(lián) 215
7．4．1  確定環(huán)路濾波器系數(shù) 215
7．4．2  增益與環(huán)路濾波器系數(shù)的關(guān)系 216
7．4．3  兩種系數(shù)計(jì)算方法比較 216
7．5  小結(jié)―芝諾與莊子的哲學(xué) 217
第8章  鎖相環(huán)的性能分析 219
8．1  捕獲性能 220
8．1．1  捕獲過(guò)程 220
8．1．2  捕獲帶與捕獲時(shí)間 221
8．1．3  輔助捕獲方法 222
8．2  跟蹤性能 224
8．2．1  環(huán)路的穩(wěn)態(tài)相差 224
8．2．2  環(huán)路的頻率特性 225
8．2．3  調(diào)制跟蹤與載波跟蹤 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(huán)路模型 237
8．3．2  輸出相位噪聲方差 240
8．3．3  環(huán)路噪聲帶寬 241
8．3．4  環(huán)路信噪比 242
8．4  理想二階環(huán)設(shè)計(jì)公式 244
8．5  小結(jié)―興趣是最好的老師 245
第9章  鎖相環(huán)解調(diào)PSK信號(hào)的FPGA實(shí)現(xiàn) 247
9．1  PSK調(diào)制解調(diào)原理 248
9．1．1  PSK調(diào)制原理及信號(hào)特征 248
9．1．2  PSK信號(hào)的MATLAB仿真 249
9．1．3  鎖相環(huán)解調(diào)PSK原理 252
9．2 鎖相環(huán)路解調(diào)參數(shù)設(shè)計(jì) 254
9．2．1  總體性能參數(shù)設(shè)計(jì) 254
9．2．2  下變頻乘法器設(shè)計(jì) 256
9．2．3  下變頻低通濾波器設(shè)計(jì) 257
9．2．4  鑒相乘法器設(shè)計(jì) 259
9．2．5  數(shù)控振蕩器設(shè)計(jì) 260
9．2．6  環(huán)路濾波器設(shè)計(jì) 261
9．3  鎖相解調(diào)環(huán)的Verilog設(shè)計(jì) 262
9．3．1  頂層文件的Verilog設(shè)計(jì) 262
9．3．2  鑒相器的Verilog設(shè)計(jì) 264
9．3．3  環(huán)路濾波器的Verilog設(shè)計(jì) 265
9．4  鎖相解調(diào)環(huán)的仿真測(cè)試 266
9．4．1  環(huán)路捕獲范圍測(cè)試 266
9．4．2  NCO更新周期對(duì)環(huán)路增益的影響 267
9．5  小結(jié)―漁王的兒子 272
參考文獻(xiàn) 274