基本信息
编辑推荐
本书适合从事数字通信和数字信号处理领域的设计工程师、科研人员，以及相关专业的研究生、高年级本科生使用。
内容简介
书籍
计算机书籍
《锁相环技术原理及FPGA实现》全面阐述了典型锁相环技术的工作原理及FPGA设计方法，结合SystemView仿真实例，详细分析了锁相环技术的基本概念。按照从理论到实践，再从实践到理论的思路，以Altera公司的FPGA器件为开发平台，采用MATLAB及VerilogHDL语言为开发工具，详细阐述了锁相环技术的FPGA实现原理及仿真测试过程，逐步深入地讲解锁相环技术在工程应用中的技术细节。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锁相环技术的FPGA设计知识和技能。
本书的配套网络光盘收录了完整的systemView、MATLAB及VerilogHDL实例工程代码，有利于技术人员参考学习，读者可登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)免费注册后下载。
本书适合从事数字通信和数字信号处理领域的设计工程师、科研人员，以及相关专业的研究生、高年级本科生使用。
计算机书籍
《锁相环技术原理及FPGA实现》全面阐述了典型锁相环技术的工作原理及FPGA设计方法，结合SystemView仿真实例，详细分析了锁相环技术的基本概念。按照从理论到实践，再从实践到理论的思路，以Altera公司的FPGA器件为开发平台，采用MATLAB及VerilogHDL语言为开发工具，详细阐述了锁相环技术的FPGA实现原理及仿真测试过程，逐步深入地讲解锁相环技术在工程应用中的技术细节。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锁相环技术的FPGA设计知识和技能。
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本书适合从事数字通信和数字信号处理领域的设计工程师、科研人员，以及相关专业的研究生、高年级本科生使用。
作译者
杜勇，男，高级工程师，1976年生，硕士学位，毕业于国防科技大学，现工作于酒泉卫星发射中心。承担的项目共计4项，主要方向为无线通信技术的设计与实现，均为项目负责人，主要承担项目总体方案设计、核心算法设计及FPGA实现、硬件电路板的设计等工作。
目录
第1章 设计环境及开发平台介绍 1
1.1 FPGA基础知识 2
1.1.1 基本概念及发展历程 2
1.1.2 FPGA的结构和工作原理 4
1.1.3 FPGA在数字信号处理中的应用 12
1.2 Altera器件简介 12
1.3 Verilog HDL语言简介 15
1.3.1 HDL语言简介 15
1.3.2 Verilog HDL语言特点 16
1.3.3 Verilog HDL程序结构 17
1.4 Quartus II开发套件 18
1.4.1 Quartus II开发套件简介 18
1.4.2 Quartus II软件的用户界面 19
1.5 ModelSim仿真软件 22
1.6 MATLAB软件 24
1.6.1 MATLAB软件介绍 24
1.6.2 MATLAB工作界面 24
1.6.3 MATLAB的特点及优势 25
1.6.4 MATLAB与Quartus的数据交互 27
1.7 SystemView软件 28
1.1 FPGA基础知识 2
1.1.1 基本概念及发展历程 2
1.1.2 FPGA的结构和工作原理 4
1.1.3 FPGA在数字信号处理中的应用 12
1.2 Altera器件简介 12
1.3 Verilog HDL语言简介 15
1.3.1 HDL语言简介 15
1.3.2 Verilog HDL语言特点 16
1.3.3 Verilog HDL程序结构 17
1.4 Quartus II开发套件 18
1.4.1 Quartus II开发套件简介 18
1.4.2 Quartus II软件的用户界面 19
1.5 ModelSim仿真软件 22
1.6 MATLAB软件 24
1.6.1 MATLAB软件介绍 24
1.6.2 MATLAB工作界面 24
1.6.3 MATLAB的特点及优势 25
1.6.4 MATLAB与Quartus的数据交互 27
1.7 SystemView软件 28
前言
为什么要写这本书
1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，计算机芯片的处理能力每两年就会翻一番。尽管已经过去50多年，摩尔定律仍然有效。半导体行业的发展速度，以及摩尔定律的精准性预测一度连摩尔本人都感到无比惊奇！
2015年6月１日，英特尔宣布将以每股54美元的价格收购Altera，以此计算，此交易总价将达到167亿美元，创造了英特尔并购历史上金额最大的纪录。一时间，传闻四起，业内专家和媒体开始讨论，FPGA计算机是否将成为可能？
无论你是否愿意，只要从事的是与电子及信息处理相关的行业，FPGA的地位已显得越来越重要，它已成为电子行业的基本设计平台之一！
无论多么高大上的技术，工程师要能够熟练应用到自己的工程项目中，都必须深入了解每一个技术实现细节。所谓“九层之台，起于垒土；合抱之木，生于毫末”。对于繁杂的技术实现方法，“各个击破”是有效学习应用的不二法门。
自作者于4年前开始陆续出版数字通信技术的FPGA实现相关著作以来，通过邮件或博客的方式收到了广大读者的很多反馈意见。一些读者直接通过邮件告知书中的内容对工作中提供的直接或间接的帮助；一些读者提出了很多中肯的、有建设性的意见和建议；更多的读者通过邮件或博客交流书中的相关设计问题。归纳起来，不少读者的问题集中在数字锁相环技术的设计及实现方面。在前几本著作中，限于书中内容编排，对通信系统中最困难的锁相环技术阐述得还不够系统全面。目前市场上讲解锁相环技术的图书，主要集中在讲解锁相环的基本工作原理，或介绍一些专门的锁相环集成芯片，因此，将锁相环的工作原理与FPGA实现结合起来讨论，显得十分必要。
作者在写作本书的过程中，兼顾锁相环技术的理论，以及工程设计过程的完整性，重点突出FPGA设计方法、结构、实现细节，以及仿真测试方法。在讲解理论知识的时候，结合SystemView、MATLAB软件仿真实例，重点从工程应用的角度进行介绍，主要介绍工程设计时必须掌握和理解的知识点，便于读者尽快地找到理论与工程实现之间的结合点。在讲解实例的FPGA实现时，不仅对所有实例给出了完整的程序代码，并且从思路和结构上进行了详细的分析和说明。根据作者的理解，针对一些似是而非的概念，结合工程实例的仿真测试加以阐述，希望能对读者提供更多有用的参考。相信读者按照书中讲解的步骤完成一个个工程实例时，会逐步感觉到理论与工程实现之间完美结合的畅快。随着读者掌握的工程实现技能的提高，对锁相环理论知识的理解也必将越来越深刻，当重新阅读以前学过的原理时，头脑里就更容易构建起理论知识与工程实践之间的桥梁。
本书的内容安排
第1章首先介绍了FPGA的基本知识，以及Ａltera公司的主要器件。本章在介绍了FPGA的发展历程、结构及工作原理等基本知识后，对本书所用到的设计语言及工具软件进行了简要介绍，主要包括Verilog HDL语言、Quartus II、MATLAB和SystemView软件。所谓“工欲善其事，必先利其器”。之所以说是简要介绍，因为这些开发工具本身的功能十分强大，每一种工具都有种类繁多的专门著述进行阐述。随着工程师设计经验的积累，设计水平的提高，越能更全面地掌握设计工具的特点，从而更好地发挥设计工具的性能，以最小的代价设计出理想的产品。好比一把宝剑，只有握在高手的手中才能发挥出最大的威力。
第2章介绍了FPGA数字信号处理基础知识。数字信号在FPGA等硬件系统中实现时，因受寄存器长度的限制，不可避免地会产生有效字长效应。设计工程师必须了解字长效应对数字系统可能带来的影响，并在实际设计中通过仿真来确定最终的量化位数、寄存器长度等内容。本章在详细分析了字长效应在FPGA设计中的影响后，对几种常用的运算模块IP核进行介绍，讨论了各IP核控制参数的设置方法。IP核在FPGA设计中的应用十分普遍，尤其是在数字滤波器等信号处理领域，采用设计工具提供的IP核进行设计，不仅可以提高设计效率，而且可以保证设计的性能。
第3章从锁相环的组成讲起，深入细致地探讨锁相环关注的信号特性，全面阐述VCO和乘法鉴相器的工作方式。随后借用最简单的反馈电路等基础知识，逐步揭开锁相环跟踪信号相位的神秘面纱。最后通过SystemView软件工具，详细仿真分析了一阶锁相环的工作过程，全方位地了解锁相环的工作机理。
第4章讨论了一阶锁相环的FPGA实现方法。根据作者的学习经验，这个阶段最期望的一定不是再去理解什么原理公式，学习什么方法思路。好比初次接触到羽毛球时，在网上看了一段中规中矩的教学视频，又刚好买回一支炫丽的球拍，走进球场，实在没有心情再听老师讲什么挥拍动作和击球技巧，只想痛痛快快地上球场打上几拍了。这一章，我们将完成一个完整的一阶锁相环电路的FPGA设计及仿真测试过程。
第5章又回到理论知识上来。学习的过程通常是学习（理论）—实践（工程）—学习（理论）—实践（工程）的循环反复过程，每一次循环都会带来一次提高。前几章，我们主要从环路基本概念的角度，对环路进行了分析和仿真，从而初步建立起对锁相环路工作机理的认识。要深入研究锁相环技术，必须建立环路的系统模型，而后采用数学方法对模型进行精确的分析。这一章我们从最基本的线性时不变系统知识开始，逐步建立起锁相环路的数学模型，为后续的分析打下坚实的基础。在建立模型的过程中，我们会发现，所有的知识，所有的公式其实都是在大学的一些基础课程中学习过的。
第6章深入讨论锁相环中最关键的组成电路—环路滤波器。我们从最简单的环路滤波器—RC低通滤波器开始，逐步理解环路滤波器对锁相环路性能的决定性作用，并引出本书所研究的重点—由有源积分滤波器组成的理想二阶环路。为了直观说明环路滤波器对锁相环路性能的影响，以及锁相环路参数的设计方法，我们再次采用SystemView搭建了锁相环路模型，并通过翔实的仿真数据来说明一些看似深奥的理论知识。
第7章开始讨论工程上应用最多的理想二阶环路的FPGA实现。前两章讲了一大堆枯燥的锁相环原理，本质是说理想二阶环具有相当优异的性能。我们在第4章已经对一阶锁相环的FPGA实现进行了详细的讨论，有了前面章节的基础，就可以开始设计二阶环的FPGA电路了，并且要通过FPGA设计后的仿真来验证理论的正确性。二阶锁相环路相比一阶环路来讲，仅仅是多了一个环路滤波器。正是这个环路滤波器，尤其是理想环路滤波器，极大地改善了锁相环路的性能。当我们深刻理解了环路的工作原理，并动手设计出传说中的理想二阶锁相环电路时，会发现整个设计过程原来如此！
第8章再次回过头来，静心研究前面设计过程中还没有解决的一些问题。经过第7章的学习，我们已经可以完成一个完整的理想二阶锁相环路的设计。但在设计过程中，仍有一些参数的取值没有明确的依据，例如环路的固有振荡频率ωn该如何取值？环路的捕获带宽与捕获时间如何设计？当环路中存在噪声时（前面章节的设计都还没有涉及这个问题，但噪声又是电子系统中无法避免的），又该如何设计并计算环路的抗干扰性能呢？因此，在完成数字二阶环的FPGA初步设计之后，我们需要再回过头来更深入分析一下锁相环路性能，最终找到锁相环路参数的设计依据。
第9章是应用锁相环实现信号解调的一个完整的工程应用实例。经过前面章节的讨论，我们对锁相环的理论知识、仿真、设计及FPGA实现都有了比较充分的认识。在无线通信技术中，在接收端，应用锁相环获取相干载波是最为广泛的应用之一。本章以锁相环解调PSK调制信号为例，应用前面章节讨论得出的结论，完整地给出锁相环的参数设计、仿真测试，以及FPGA实现过程。
关于FPGA开发环境的说明
众所周知，目前两大厂商Xilinx和Altera的产品占据全球90%以上的FPGA市场。可以说，在一定程度上正是由于两家FPGA公司的相互竞争态势，有力地推动了FPGA技术的不断发展。虽然HDL的编译及综合环境可以采用第三方公司所开发的产品，如Modelsim、Synplify等，但FPGA器件的物理实现必须采用各自公司开发的软件平台，无法通用。Xilinx公司目前最新的开发工具为Vivado Design Suite套件，Altera公司目前的主流开发平台是Quartus II系列套件。与FPGA开发平台类似，HDL也存两种难以取舍的选择：VHDL和Verilog HDL。
如何选择开发平台以及HDL语言呢？其实，对于有志于从事FPGA技术开发的技术人员，选择哪种平台及HDL语言并不重要，因为两种平台具有很多相似的地方，精通一种HDL语言后，再学习另一种HDL语言也不是一件困难的事。通常来讲，可以根据周围同事、朋友、同学或公司的主要使用情况进行选择，这样在学习的过程中，可以很方便地找到能够给你指点迷津的专业人士，从而加快学习进度。
1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，计算机芯片的处理能力每两年就会翻一番。尽管已经过去50多年，摩尔定律仍然有效。半导体行业的发展速度，以及摩尔定律的精准性预测一度连摩尔本人都感到无比惊奇！
2015年6月１日，英特尔宣布将以每股54美元的价格收购Altera，以此计算，此交易总价将达到167亿美元，创造了英特尔并购历史上金额最大的纪录。一时间，传闻四起，业内专家和媒体开始讨论，FPGA计算机是否将成为可能？
无论你是否愿意，只要从事的是与电子及信息处理相关的行业，FPGA的地位已显得越来越重要，它已成为电子行业的基本设计平台之一！
无论多么高大上的技术，工程师要能够熟练应用到自己的工程项目中，都必须深入了解每一个技术实现细节。所谓“九层之台，起于垒土；合抱之木，生于毫末”。对于繁杂的技术实现方法，“各个击破”是有效学习应用的不二法门。
自作者于4年前开始陆续出版数字通信技术的FPGA实现相关著作以来，通过邮件或博客的方式收到了广大读者的很多反馈意见。一些读者直接通过邮件告知书中的内容对工作中提供的直接或间接的帮助；一些读者提出了很多中肯的、有建设性的意见和建议；更多的读者通过邮件或博客交流书中的相关设计问题。归纳起来，不少读者的问题集中在数字锁相环技术的设计及实现方面。在前几本著作中，限于书中内容编排，对通信系统中最困难的锁相环技术阐述得还不够系统全面。目前市场上讲解锁相环技术的图书，主要集中在讲解锁相环的基本工作原理，或介绍一些专门的锁相环集成芯片，因此，将锁相环的工作原理与FPGA实现结合起来讨论，显得十分必要。
作者在写作本书的过程中，兼顾锁相环技术的理论，以及工程设计过程的完整性，重点突出FPGA设计方法、结构、实现细节，以及仿真测试方法。在讲解理论知识的时候，结合SystemView、MATLAB软件仿真实例，重点从工程应用的角度进行介绍，主要介绍工程设计时必须掌握和理解的知识点，便于读者尽快地找到理论与工程实现之间的结合点。在讲解实例的FPGA实现时，不仅对所有实例给出了完整的程序代码，并且从思路和结构上进行了详细的分析和说明。根据作者的理解，针对一些似是而非的概念，结合工程实例的仿真测试加以阐述，希望能对读者提供更多有用的参考。相信读者按照书中讲解的步骤完成一个个工程实例时，会逐步感觉到理论与工程实现之间完美结合的畅快。随着读者掌握的工程实现技能的提高，对锁相环理论知识的理解也必将越来越深刻，当重新阅读以前学过的原理时，头脑里就更容易构建起理论知识与工程实践之间的桥梁。
本书的内容安排
第1章首先介绍了FPGA的基本知识，以及Ａltera公司的主要器件。本章在介绍了FPGA的发展历程、结构及工作原理等基本知识后，对本书所用到的设计语言及工具软件进行了简要介绍，主要包括Verilog HDL语言、Quartus II、MATLAB和SystemView软件。所谓“工欲善其事，必先利其器”。之所以说是简要介绍，因为这些开发工具本身的功能十分强大，每一种工具都有种类繁多的专门著述进行阐述。随着工程师设计经验的积累，设计水平的提高，越能更全面地掌握设计工具的特点，从而更好地发挥设计工具的性能，以最小的代价设计出理想的产品。好比一把宝剑，只有握在高手的手中才能发挥出最大的威力。
第2章介绍了FPGA数字信号处理基础知识。数字信号在FPGA等硬件系统中实现时，因受寄存器长度的限制，不可避免地会产生有效字长效应。设计工程师必须了解字长效应对数字系统可能带来的影响，并在实际设计中通过仿真来确定最终的量化位数、寄存器长度等内容。本章在详细分析了字长效应在FPGA设计中的影响后，对几种常用的运算模块IP核进行介绍，讨论了各IP核控制参数的设置方法。IP核在FPGA设计中的应用十分普遍，尤其是在数字滤波器等信号处理领域，采用设计工具提供的IP核进行设计，不仅可以提高设计效率，而且可以保证设计的性能。
第3章从锁相环的组成讲起，深入细致地探讨锁相环关注的信号特性，全面阐述VCO和乘法鉴相器的工作方式。随后借用最简单的反馈电路等基础知识，逐步揭开锁相环跟踪信号相位的神秘面纱。最后通过SystemView软件工具，详细仿真分析了一阶锁相环的工作过程，全方位地了解锁相环的工作机理。
第4章讨论了一阶锁相环的FPGA实现方法。根据作者的学习经验，这个阶段最期望的一定不是再去理解什么原理公式，学习什么方法思路。好比初次接触到羽毛球时，在网上看了一段中规中矩的教学视频，又刚好买回一支炫丽的球拍，走进球场，实在没有心情再听老师讲什么挥拍动作和击球技巧，只想痛痛快快地上球场打上几拍了。这一章，我们将完成一个完整的一阶锁相环电路的FPGA设计及仿真测试过程。
第5章又回到理论知识上来。学习的过程通常是学习（理论）—实践（工程）—学习（理论）—实践（工程）的循环反复过程，每一次循环都会带来一次提高。前几章，我们主要从环路基本概念的角度，对环路进行了分析和仿真，从而初步建立起对锁相环路工作机理的认识。要深入研究锁相环技术，必须建立环路的系统模型，而后采用数学方法对模型进行精确的分析。这一章我们从最基本的线性时不变系统知识开始，逐步建立起锁相环路的数学模型，为后续的分析打下坚实的基础。在建立模型的过程中，我们会发现，所有的知识，所有的公式其实都是在大学的一些基础课程中学习过的。
第6章深入讨论锁相环中最关键的组成电路—环路滤波器。我们从最简单的环路滤波器—RC低通滤波器开始，逐步理解环路滤波器对锁相环路性能的决定性作用，并引出本书所研究的重点—由有源积分滤波器组成的理想二阶环路。为了直观说明环路滤波器对锁相环路性能的影响，以及锁相环路参数的设计方法，我们再次采用SystemView搭建了锁相环路模型，并通过翔实的仿真数据来说明一些看似深奥的理论知识。
第7章开始讨论工程上应用最多的理想二阶环路的FPGA实现。前两章讲了一大堆枯燥的锁相环原理，本质是说理想二阶环具有相当优异的性能。我们在第4章已经对一阶锁相环的FPGA实现进行了详细的讨论，有了前面章节的基础，就可以开始设计二阶环的FPGA电路了，并且要通过FPGA设计后的仿真来验证理论的正确性。二阶锁相环路相比一阶环路来讲，仅仅是多了一个环路滤波器。正是这个环路滤波器，尤其是理想环路滤波器，极大地改善了锁相环路的性能。当我们深刻理解了环路的工作原理，并动手设计出传说中的理想二阶锁相环电路时，会发现整个设计过程原来如此！
第8章再次回过头来，静心研究前面设计过程中还没有解决的一些问题。经过第7章的学习，我们已经可以完成一个完整的理想二阶锁相环路的设计。但在设计过程中，仍有一些参数的取值没有明确的依据，例如环路的固有振荡频率ωn该如何取值？环路的捕获带宽与捕获时间如何设计？当环路中存在噪声时（前面章节的设计都还没有涉及这个问题，但噪声又是电子系统中无法避免的），又该如何设计并计算环路的抗干扰性能呢？因此，在完成数字二阶环的FPGA初步设计之后，我们需要再回过头来更深入分析一下锁相环路性能，最终找到锁相环路参数的设计依据。
第9章是应用锁相环实现信号解调的一个完整的工程应用实例。经过前面章节的讨论，我们对锁相环的理论知识、仿真、设计及FPGA实现都有了比较充分的认识。在无线通信技术中，在接收端，应用锁相环获取相干载波是最为广泛的应用之一。本章以锁相环解调PSK调制信号为例，应用前面章节讨论得出的结论，完整地给出锁相环的参数设计、仿真测试，以及FPGA实现过程。
关于FPGA开发环境的说明
众所周知，目前两大厂商Xilinx和Altera的产品占据全球90%以上的FPGA市场。可以说，在一定程度上正是由于两家FPGA公司的相互竞争态势，有力地推动了FPGA技术的不断发展。虽然HDL的编译及综合环境可以采用第三方公司所开发的产品，如Modelsim、Synplify等，但FPGA器件的物理实现必须采用各自公司开发的软件平台，无法通用。Xilinx公司目前最新的开发工具为Vivado Design Suite套件，Altera公司目前的主流开发平台是Quartus II系列套件。与FPGA开发平台类似，HDL也存两种难以取舍的选择：VHDL和Verilog HDL。
如何选择开发平台以及HDL语言呢？其实，对于有志于从事FPGA技术开发的技术人员，选择哪种平台及HDL语言并不重要，因为两种平台具有很多相似的地方，精通一种HDL语言后，再学习另一种HDL语言也不是一件困难的事。通常来讲，可以根据周围同事、朋友、同学或公司的主要使用情况进行选择，这样在学习的过程中，可以很方便地找到能够给你指点迷津的专业人士，从而加快学习进度。
