注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

构建数字通信技术理论与实践之间的桥梁

孤云出岫去留一无所系 朗镜悬空静躁两不相干 菜根谭.明.洪应明

 
 
 

日志

 
 

锁相环技术原理及FPGA实现-前言  

2015-11-27 22:12:54|  分类: 锁相环技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

 

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,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,都必需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,希望能够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,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,并通过详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,比如环路的固有振荡频率 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到这个问题,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章是一个完整的应用锁相环实现信号解调的工程应用实例。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。

本书采用的是Altera公司的FPGA器件作为开发平台,采用Quartus II 12.1作为开发环境,采用Verilog HDL语言作为实现手段。由于Verilog HDL语言并不依赖于某家公司的FPGA产品,因此本书的Verilog HDL程序文件可以很方便地移植到Xilinx公司的FPGA产品上。如果程序中应用了IP核资源,两家公司的IP核通常是不能通用的,这就需要根据IP核的功能参数,在另外一个平台上重新生成IP核,或编写Verilog HDL代码来实现。

有人曾经说过,“技术只是一个工具,关键在于思想。”将这句话套用过来,对于本书来讲,具体的开发平台以及HDL语言只是实现数字通信技术的工具,关键在于设计的思路和方法。因此,读者完全不必要过于在意开发平台的差别,相信只要掌握本书所讲述的设计思路和方法,加上读者已经具备的FPGA开发经验,采用任何一种FPGA平台都可以很快地设计出满足用户需求的产品。

如何使用本书

本书在讨论锁相环的基本概念及工作原理时,主要用到了SystemView5.0版本软件。关于SystemView5.0软件的特点及使用方法在本书第1章进行了简要介绍。SystemView软件使用起来非常简单,书中的实例也只用到了一些基本功能。如果读者以前没有使用过这款软件的话,建议先用几个小时了解一下其基本用法,这样就可以动手对本书提供的实例程序运行仿真。当然,由于SystemView仅用来说明锁相环的工作原理,因此,读者也可以完全不去运行这些实例程序,只要理解书中提供的仿真结果即可。

相信大部分工科院校的学生和电子通信的从业人员对MATLAB软件都会有一个基本的了解。由于它的易用性及强大的功能,已经成为数学分析、信号仿真、数字处理必不可少的工具。由于MATLAB具有大量专门针对数字信号处理的常用函数,如滤波器函数、傅里叶分析函数等,十分有利于对一些通信的概念及信号进行功能性仿真,因此,在具体讲解某个实例时,通常会采用MATLAB作为仿真验证工具。虽然书中的MATLAB程序相对比较简单,主要应用一些数字信号处理函数进行仿真验证,如果读者没有MATLAB的知识基础,建议最好还是先简单学习一下MATLAB的编程概念及基本语法。考虑到程序及函数的兼容性,书中所有MATLAB程序的开发验证平台均为MATLAB R2014a版软件。

在讲解具体的FPGA工程应用实例时,通常会先采用MATLAB对所需设计的工程进行仿真,一方面仿真算法过程及结果,另一方面生成FPGA仿真所需要的测试数据;而后在Quartus II平台上编写Verilog HDL程序对实例进行设计实现,为便于讲述,通常会先讨论程序的设计思路,或者先给出程序清单,再对程序代码进行分析说明;完成程序编写后,需要编写TestBench测试激励文件,根据所需产生输入信号的种类,可以直接在TestBench文件中编写代码来产生输入信号,也可以通过读取外部文本文件的方式来产生输入信号;接下来就可以采用Modelsim工具对Verilog HDL程序进行仿真,查看Modelsim仿真波形结果,并根据需要将仿真数据写入外部文本文件中,通常还会对仿真波形进行讨论,分析仿真结果是否满足要求;如果Modelsim波形不便于精确分析测试结果,则需要再次编写MATLAB程序,对Modelsim仿真结果数据进行分析处理,最终验证FPGA设计的正确性。

本书主要以工程应用实例的方式讲解锁相环技术的原理及FPGA实现方法和步骤。书中所有实例均给出了完整的程序清单,限于篇幅,不同工程实例中的一些重复或相似的代码没有完全列出,随书配套的光盘上收录了本书所有实例的源程序及工程设计资源,并按章节序号置于光盘根目录下。本书在编写工程实例时,程序文件均放置在“D:\PllPrograms”的文件夹下,读者可以先在本地硬盘下建立“D:\PllPrograms”文件夹,而后将配套光盘中的程序压缩包解压至该文件夹下,大部分程序均可直接运行。需要说明的是,在部分工程实例中,需要由MATLAB产生FPGA测试所需的文本数据文件,或者由MATLAB读取外部文件进行数据分析,同时FPGA仿真的TestBench文件通常也需要从指定的路径下读取外部文件数据,或将仿真结果输出到指定的路径下。对于ModelSim仿真来讲,作为测试输入的文本文件必须放置在当前FPGA工程目录下的“simulation\modelsim”路径下。因此,读者在用MATLAB生成测试数据后,需要将生成的文件复制到指定的路径下,以获取正确的仿真结果。

致谢

有人说,每个人都有他存在的使命,如果迷失他的使命,就失去了他存在的价值。不只是每个人,每件物品也都有其存在的使命。对于一本书来讲,其存在的使命就是被阅读,并给阅读者带来收获。

作者在写作本书的过程中查阅了大量的资料,在此对资料的作者及提供者表示衷心的感谢。由于写作本书的缘故,重新阅读一些经典的数字通信理论书籍时,再次深刻感受到前辈们严谨的治学态度和细致的写作作风。

在此,感谢父母,多年来一直陪伴在我的身边,由于他们的默默支持,使得我能够在家里专心致志地写作;感谢我的妻子刘帝英女士,她不仅是一位尽心尽职的优秀母亲,也是一位严谨细致的科技工作者,同时也是本书的第一位读者,在工作之余对本书进行了详尽而细致的校对;四年前初次编写数字通信的FPGA设计与实现系列图书时,女儿才刚上小学,转眼她已经上五年级了,她最爱看书和画画,小脑袋里装着越来越多的她自己的想法。

FPGA技术博大精深,本书虽尽量详细讨论了锁相环技术的原理及FPGA实现相关内容,仍感觉到难以详尽阐述所有技术细节。相信读者在实际工程应用中经过不断的实践、思考及总结,一定可以快速掌握其工程设计方法,提高应用FPGA进行工程设计的能力。由于作者水平有限,不足之处在所难免,敬请读者批评指正。欢迎大家就相关技术问题进行交流,或对本书提出改进意见及建议。

为便于读者交流,并及时发布相关资料及信息,本书特开设了交流博客。读者也可以通过邮件与作者进行技术交流。

交流空间:http://duyongcn.blog.163.com

作者邮箱:duyongcn@sina.cn

 

杜  勇 

2015年12月

 

返回作品读者交流区
返回到我的作品目录

  评论这张
 
阅读(112)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017