无线通信FPGA设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：18.69M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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田耘徐文波张延伟等编著 4_______…----------------- 一 ------------一一一-一一一一一一一一------…-….._-----一一 --……·一-一-----…--……·一一一一-------- ….._----一-一一…· -----------_ .. - --…----…_.‘--.--_._---φ 一… 一--------…·一 ………………-----------------……………---.. --- -一一一……--一一一一一一--一……一-_..-一一一 ----------------_ .. 幽.._----_.. 呻~-------------------------町-E --………--------------一一←←一 ----------------------- --------------- ---…-- ._---…-------------- - -----…---- ·唱.._------…--------……-... -----------------……---…- ------------ … 一一一一一一一…一一一一一一一一----一---一…---一--……--一一---_.._------一一一一-------一-一一一一一一一一一一--_._-- -----------------…-_. 国缸王雪￡gii- hUp:/lwv.川.phel.com.α、 --------一一一 ……------------…--….._---_.-

目录第 1 章现代无线通信系统概述 … ....... ............ ... ... ...... ......... ... ............ ... (>> … · … (1 ) 1.1 无结遁信的发展概况 … 1.2 无结通信的主要特点… … 叮〉 L3 无线通信革统的组成 ••.••. •••..•... ... ... ... . . . .. ....... ... ( 3 ) 1.4 未来无线通信系娃的发展趋势 … . . . . ." ... ......... ... ... ... •.......•... ... ..• ••.••.... (4 ) ........ ... .................. ... ( 5 ) 1.5 FPGA 在五吨通信中的应用 .. ... ......... (6) ...... ..' ... ............ ... .................. ... : 8 ) .. (8) 第 2 章 FPGA 革统设计墓础 ... ...... ... ....... … •..•. ... ...•...••... ... .•.••..••... ." ........ 2.1 FPGA 设~1 ;基础 1.6 本章小结 … … · ‘ 2. 1.1 冉GA 简介 ............................ … (8) 2.1.2 俨PGA 的原理与结间 ................. (9) 2. 1.3 F阳A 的基本世计流程。 ……… (11 ) 2.1 .4怦GA 勾 CPLD 的比较 … … … . . . . . . . (1 3) 2. 1.5 同吧A 与数字信号处理器 CDSP) 的比辑 (14 ) ( 1 引 … 2.2 FGPA 常用的开发工具 2.2.1 集成开发环境 22.2 输入工具 2.2.3 综合工具 22 .4仿禀士具 … .........." .................. .................. " … …................... •.. ......••...•... ............ '.. ............... ... ..••.. •••.••••. ." ............... … …....-...................................... ................................................................... 2.2 当实现工具 ................ 牛 ' 2.2.6 调试与加载配置 2.3 未来同鸣。A 技术的发展趋势 •. • .................................................... …................... 2.3.1 本来可编程器件的友展趋势 2.3.2 未来 EDA 设计万法的发展趋势 …… … … … 2.4 本章小结 3.1 飞Terilog HDL 语言简介 ............................................... 第 3 章 Ve川 log HDL 便件描述语言… ........................................ ........... .................. ..... .......... •.. ............ ..' ... ...... •••....•• ." ............... 3. 1.1 Verilog HDL 语言的历史 … 3.1.2 Verilog HDL 的主要能力 e 3. 1.3 Verilog HDL 和VlIDL 的区别 … … … … 町 3.2 飞!erilog HDL 基本程序结构 •.•..•... ..' .•.•.. ......... ........ … …............. ... ... ............... ... ..' . .... . (15) ( 16) (16) (17) 飞l7) (17) (18) (> 8) ( 19) (20) (21) (21 ) (21) (22) ( 23 ) 3.3 Verilop: HDL 语言的数据类型和运算符 3.3.1 标志符 - 写写 2 数据类型 3.3.3 校块喘口 … 3.3.4 常量集合 3.3.5 运算符和表达式 … - (如 ( 24 ) … (24) … ................. ....................................... (3) (25) (27) (28) • V'

3.4 Verilog HDL 谓市的描述语句u 3.4.1 结构描述形式 .............................................................................. ...... .•. ............ ... ............ ... ......... ... ... ..•.•.•.. ... ... 3.4.2 数据流描述形式 ..........…... ............ ............ ... ... ..... . .•. ••• ......... ... ... 3.4.3 行为描述形式 ............... ...• ……... ......... ... ............ ... 3.5 Verilog HDL 的 3 个高级专题 3 .4.4混合设计模式.. ............... ... ............ ............... ............ ••• ............ ... ............ ………............................. •.... ... ... ......... ••. .•. ....•.... ... ............ ... ......... 3.5.1 阻塞赋恒与非阻塞赋值 (32) (33 ) ( 34 ; ( 34 ;. (42 ) (42 (42 ) 3.5.2 可结合状态机的写法….........… ..................... (44) 3.5.3 轩各和副数 3.6 Verilog HDL 建模与调试技巧 3.6.1 双向端口 3.6.2 输入值不确定的组合逻辑电路 3.6.3 面积和速度 E换原则 ..................... ...........………… .............................. ......... ... ............ ... ............ ... ............ ... (46) (49) (49) 叮 ol (50 j 3.6.4基于 VerilogHDL 流水站的设计 ................................................................ C'i l) 3.ó.5 测试模块向量的编写与验证 •...•... ... ......... .•. ••• ............ ............ ••• ......... ••• 3.7 本章小结 … 第 4 章 ISE 开在软件的使用 ..... ............ ... ............ ............... ............ ... ......... 4.1 ISE 简介 … 4. 1.1 ISE 软件的主要设计特性 ... • ….....….........................…............ 4.1.2 ISE 软件的安装 •... ............ ... ............ ... ............ ...... 4.2 Synpl 均 pro 埠合工具 •...•... ............... ... ............ ............... ............ ... ............ ...•.. 4.2.1 Synpli行 pro 结合软件的安钱 4.2.2 关联 ISE 和 Synplify Pro.............................................................................. 4.3 ModelSim 仿真正具 4.3.1 M叫elSim 仿真软件的安装~....................................................................... (55 ) (56) (多7) (57) (57) (58 ) ( 60 ) 咄} C6I) J (ó 1 ) (61) 4.3.2 关联 ISE 和 M叫c1Sim .............................................................................. (62) 4.3.3 在 ModelSim 中指定Xiliull 的仿真库 4.3.4 M<民JeISim 软件的简要使用方法 .................................... ......... ... ............ ... ............ ... ............ ......... (62) (63 ) 4.4 ISE É('.I使用力法 …..............…..................... (65) 4.4.1 ISE 界由介剧 (65) 4.4.2 ISE 的开发流程。.....…..... ......... ... ............... ... ......... ... ............... ... C 66 ) (75) (76) ................................................. 4.5.1 Xi1i皿公司 IPCore 的使用 ... 4.5 基宁 ISE 的快速世计 … 4.5.2 ISE 与 MATLAB 的联合使用 … ..... 4.6 本章小结 … 第 5 章 FPGA 中的数字信号处理基础 ................................................... 5.1 敬的表示 5. 1.1 定点表示 ......................…… ..... .•. •.• ............ ... ............ ... ... ......... ... ... ............ ... 5. 1.2 Ì'于点表示 ............................................................................................. 5. 1.3定点伽l 数的量化宁宁 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (77) (79) (81) (8 1) ( R2 ) (83) (83) • VI •

5.2 ND 变换的字长放阻 5.3 二迹制加法楼。. 5. 1.4 加法乘'lfHfJ 舍入误差 …............. ... ............... ... ... ............ ( 84) (85) ......... ... ............ .•• ............ ... ... ............ ..• ....… . (87) ….............. (87) (87 ) …........... (89) ........................... (91) ……................. 5.4.1 事行乘法器 5.4.2 流水结乘证器........ ... ... ............ ............ ... ............... .•• ••• ............ ... ... ......... 5.3.1 月伊行加法器 …· 5.3.2 施水蜡3日证楼 5.3.3 加法器的使用 "… …................. - ....…… (91) ( 93 ) ......... 5.4 二进制乘法器骂 4 飞复数乘法器 5 .4.4乘法器的使用 5.5 二进但除法器 5.5.1 无符号高效陆法器 55.2 除法黯 IPC= 的使用 ••.... ..• ............ ... ... ............ ... ... .... ....•... ... ... .•• .••.•. …............… 5.6 快速傅里叫变换器 ..................................................................... ( 95 ) (97) (99) (99) (1届〉 \IIU) • 5.6.5阴市Ff IPCore 的使用 5.7 三角函数数字置牛楼 … .................................................. 5.6.1 DFT 和FFf基本思想 (110) 5.6.2 F盯算法的基本原理且茸 MATLAB 实现· …….........……… (11 1) 5.6.3 FFT 的硬件实现结构 (114) … ……................................................... (116) 5.6.4 IFFT 原理与实现 (117) .................................... (120) 5.7.1 DDS 算法原理 (> 20) 5.7.2 DDS 算法的 Veri10g 实现 ………......... ...............…........ ... ..............…(122) (125 ) 5.7.3 DDS 算法lP Core 的使用 .......................................................................................... (128) 5.8 口ORDIC 计贷器 … ... 5.8.1 CORDrC 算法原且 .............................. (128) 5.8.2 CORDIC 算法的硬件实现结构 5.8.3 CORDrc 算法的 V""'同实现 5.8.4 CORDIC 算tl:. IP Core 的使用 5.9 本章小结 (30) ....................................................... (130) (1 37) ....................................................................... (139) … • 第 6 章搬宇店;皮带的 FPGA 实现 ....................................................................... (141) 6.1 数字滤波器的分类与性能指幅 6. 1.1 数字滤波器的分类 6. 1.2 数字滤波器的数学模型 6. 1.3 数字滤波器的性能指标 6.2 有阳脚冲响应滤波榕的设计与实现 ι2.1 FIR 滤波器理论和结构 n.2.2 阿R 滤披器的设计方法 6.2.3 FIR 滤波器的 MATLAB 设计 6.2.4 FIR 糖脏器的 FPGA 实现 ................... (141) ...................................... (141) ........…........................................ (142) ( 142) ..................... (143) - …… (1 43) ............................................... (144) -…....................................................... (147) (150) … • VII •

6.2.5 采用分布式算法的 FIR 滤披器 6.2.6 AR 滤波椿 IP Core 的使用 6.3 王限脉冲响应滤波器的设计与实现 … … … ....................... (160) …............... (169) ( 171) ....................... (173) IIR 滤波榕的理论和结构 … 6.3.1 6.3.2 IIR 滤幢楼的设计方法 …… 6.3.3 IIR 滤幢楼的 MA1LAB 设计 - (1 73) .............-. (177) ..... ............................................................ (182 、 6.3 .4皿滤波器的 F町A 实现 … 6.3.5 IIR 滤波器实现中的流水线技术 ................................................... (1891 , 6.3.6 6.3.7 并行处理 1可限字段效府和à!l被器增益系数的最优化 6.4 脉冲成形滤战端的设计与实现 … 6.4.1 脉冲成形滤波器的跺理 … C1 911 .............................. (192) ….................................. (19日 ............................. (195) ......................... (197) ι4.3 脉冲成形植被器的 MATLAB 世计 …… ....................... (197) ............................................................... (1阳〉 6.4.4 脉冲成形滤波器的 FPGA 实现 6 .4.2 脉冲成市础披器的设计万法 … … 6.5 本章小结第 7 章辜速事情号处理的 FPGA 实现 ............................................................................. (201) ......... ." ............ ..• ............ ............... ...... (血〉 7.1 多速率信号处理的毫础知识 •.... ..• ............ ••. ............ ... ........... . ..' ............ ". (却 2) 7. 1.1 多速率信号处理的意义 •... .•. ............ ... ........... . ... .... . . ... ... ... ....... … 7. 1.2 多速率信号处璋的基本操作 .................................................................... (203) 7. 1.3 讨果样 AID 与四A 转换樱 (202) 7.2 信号的多相分解 7.2.1 多相分解基本型论 7.2.2 多相分解的 FPGA 实现 ............... … ............................................ (210) ........... (211) .................................................................. (211) ...... (213) (215) … … … 7.3 CIC 滤波器.................................................................................................... 7 .3 .1 CIC 基本理论 … … … .............. (215) 7.3.2 CIC 滤波器的 MA1LA B 设计。............... (218) 7.3.3 CIC 滤波器的 FPGA 实现 ...................................................... (219) 7.4 FIR 半停植被器… ........ 7.4.1 FIR 半带滤波榕的原理 7.4.2 FIR 半带滤波器的 MATLAB lQ:计 … … 7.4.3 半带将服器的 F阳A 实现 … … (226) ........................................................... (226) ............... (228) ............................... (229) 7.5 无线通信中的多速率滤波器· 7.5.1 ::E娃信号多速率发送处理器 7.5.2 无线信号多速率接收处理器 7.6 滤戒指姐 …(且4) 。........................ (234) 。............................. 7.6.1 滤波器组的程本陆念 ..... 7.6 .2双逍遥熔波器组的原理 .............. ‘ … 7.6.3 汉渴近越波格组的 MAILAB 实现 7.6.4 双边 i且在意波器织的怦GA 实现 … 。. … • Vlll • (245) (250) (250) … (251) ............ (252) … .. (252)

第 8 章数字调制与解调的 FPGA 实现 … 7.7 本且在小结 8.1 调制懈调的幕本功能与要求 • …............................................................................................ (255) . ........... ..' ... ....... ,- (白7) …..."............. (257) 8.1.1 两市 k解调的基本功能 ••..•••.......••..••......••....••..••.••..........•.••..••.••........•.•.••. (257) …........................ (257) (258) ........ .…............. (259) (259) •.•.•............••..••...........•••.••..••..•............••..•. (259) 8.1.2 调指"解调的分类 8. 1.3 基本调制方法原理且性能简要分析.............................................................. 8. 1.4 数字信号的带宽和功率谱密度 8. 1.5 影响洗择纺字调制方式的肉素 ••.•••••••............••..••..•••••........•...•• … ..... 8.2 2-ASK 调制解调的 FPGA 实现。 8.2.3 2-ASK 凋倦ìUI解调的 FPGA 实现 8.3 MPSK 调市附解调的 FPGA 实现 … ._.... ..•... ... ...•..••...•... .•. ...… 8.2.1 2 ASK 调和l 解调的基本原理和设计方法 8.2.2 2-ASK 调 IMjl桥调的 MATLAB 实现 8.3.1 MPSK 调需归解调的基本l原理和设计万法 8.3.2 QPSK 调和扩解调的 MATLAB 实现 (2.59) . (261) . (264) - … . (266) …................. (266) ........................................... (269) …..... (269) ............................................. (272) 8.4.1 MS KlGMSK 调制原理 ........................................................................... (273) 8.4.2 MS KlGMSK 调制解谓的 MATLAB 实现 … ……............ (276) 8.4.3 MS KlGMSK 调制器的 FPGA 实现 .............................................. (277) 8.3.3 QPSK 调脚解调的 F四A 实现 8.4 MSK血 MSK 调制解调的 F四A 实现 … • 8.5 MQAM 调市打解调的 FPGA 实现 8.5.1 QAM 调帘M解调跟王绍 8.5.2 QAM 调和~/I解谓的 MA1LAB 实现 …… … (286) ........"............. (286) …… ......................................................... (287) 8.5.3 QAM 全数字调和l 器的 FPGA 实现............................................................... (288) 8.6 OFDM 调~解洞的 H电A 实现 ...--............. (293) ........... (293) 8.6.1 OFDM 调制解调原理 8.6.2 OFDM 询的解调的 MATLAB 实现 ........................................................... (295) ……….. (296) 。......................................... (298) 8.6.3 OFDM 调脚解调的 F阳A 实现 ............... … 8.7 本主在小结第 9 章信道蝙码的 FPGA 实现 … ................... 山99) ............................................................................. (299) 9.1 信道编码的原理 1可噪信追捕码定理 9. 1.1 9. 1.2 信道蝙码的简介 … . . . . . ............................................................................. (299) (299) ..... ... ... ...•.. ......... ... ... ............ ... ." ... ...•...•. (3 田) … ...................... (306) • IX. 9.2 信道编码的分类 9.3 蜡性分组码的 H咀A 实现 9.3.1 线性分组码的原理和性能 … 9.3.2 线仲介细码的 MATI.AR 实现 9.3.3 线恍分坦问的 FPGA" 现 … 9.4 CRC 校盼码的 FPGA 实现 9.4.1 CRC 校验凹的原理 -….............................~....... (3 田) ........................... (3 皿) ................................................ (302) (303 ) ......................................................................... (306)

~.4.3 CRC 校验间的 FPGA 实现.......................................................................... … (307) (307) .................................. (3回} .................................................................... (309) …… 9.4.2 CRC 校验码的 MATLAB 仿真 9.5 RS 码的 F阳A 实现 9.5.1 RS 码的原理 … 9.5.2 RS 码的 MATLAB 实现 9.5.3 RS 码的 FPGA 实现 (310) ............................................................. (311 ì 9.6 卷积码的 FPGA 实现" (3 15) 9.6.1 卷和码的原理和性能 ….............................................. (315) .............................................................. (319) 9.6.2 卷相同的 MATLAB 实现 ........ … 9.6 毛卷积码的 FPGA 实现 •.... ...•..... ... ... ............ ... .... .. .. . ... ... ......... ... ... ............ (319 9.7 交扭嚣的 R唱A 实现 (332; 9.7.1 交担的原理 9.7.2 交织器的 MATLAB 实现 9.7.3 交铜器的 F町A 实现 …… (332) ….......... (334) (334) ….............. (337) ..................................................................... (337) 9.8 Tt曲。码的 F四A 买现 9.8.1 Turbo 阔的腺理 ............ .•• ......... .•• ............. • …… · … 9.8.2 四嗣同的阳:rLAB 实现 ....................................................................... (339) 9.8.3 Tu巾。码的 F町A 实现 9.9τ口4 蝙码的 FPGA 实现 … .............. .....................… 9.9.1 TCM 编码的原理 … 9.9.2 TCM 编码的 MATLAB 实现 9.9.3 TCM 蝙码的 FPGA 实现 9.10 本章小纺 … 第 10 童系统罔步的 FPGA 实现 10.1 同步的分类。 10.1.1 按照同步功能分类 10. 1.2 依照同步方式分类 … (341) (342) ".…… (弘盯 ............................................ (345) •...•... ............ … ................................................................ (347) ..................................................... (349) (346) 。今 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (349) … . . . . . (349) ........................................................ (349) 10.2 载波同步的原理反实现 ......................................................................... (350) … … … - 10.2.1 载被同步简介 JU.2.2 载被同步方法的分类 10.2.3 平方环载晴同步法的原理 … (50) (350) ...........................…................... (352) ............................... (353) ........ (356) … ….......... (358) 10.2.6 科斯塔斯环载被同步法的原理 10.2.7 科斯塔斯环载波同步洁的 MATLAB 实现 ................................................... (359) 10.2.5 平方环载植同步法的 FPGA 实现。 10.2.4平方环载放同步陆的 MA1LAB 实现 … … 10.3 符号同步 … 10.2.8 科斯塔斯环载波同步洁的用GA 实现 .......... (3曲〉 ......................................... (366) 10.3.1 符号同步简介 …… … …......................... (366) 10.3.2 插入导踊符号同步法 ............................................... (367) … ................... (368) 10.3.3 直接符号同步法 … . x.

• lU.3.4超前滞后 rJ符号同步法的 MATLAB 实现 (370) ••• ••• . .… ....................... (372) 10.4帧同步 ••• ••• ............ ... ............... ............... ... ............... .•• ••• ............... ... ......... (378) 10.3.5 超前-精后门符号同步植的 FPGA 实J.!il. … 10.4.1 帧同步简介 ................ …............................ (378) 10.4.2 集中插入式帧同步桔的原理 ........................... (378) . (380) (38 1) 10.5 本意小结….. ............ ... ............... ........ …… . . . (382) 10.4.3集中插入式帧同步法的 MA1LAB实现 …...........… 10.4.4集中插入式帧同步法的 F阳A 实现 … 第 11 童自适应滤波和均衡的 FPGA 实现 - •... ............... ... ..... 11.1 白适应滤波器简介 … (弧引 (383) . … 11.2 自适应混波器的应用 …........….................................................. (384) 1 1. 2.1 预测 11.2.2 脾识 11.2.3 反建模 11.2.4干扰抵消 … I J.3 自适应滤波算法尿理 11.3.1 输入信号的必备特征 … ........ •.. ............... .................. ... .................. ...… ............... ..................... ...... (3嗣〉 (384) …………… (385) .......... (385) (385) .......... (85) (386) •... ............... ••• .....……… 11.3.2 代价函数的定义 J 1 .3.3维蛐何甫方和 11 .4 LMS 算法 11.4.1 U.暗算法的原理 …............................................................................... (386) •... ... ............... ..................... ..................... .....…............. (387) .... c3肝) …. (388) …….......…… … 11.4.2 LMS 算成伯 MA1LAB实现 11.4.3 LMS 算法的最化效应 • ............ ... ... ............... ... ... ............... ... ...•..• 问<)()) 11.4.4 LMS 算法的 FPGA 实现 11 .4.5 具有延迟的皇岛四流水线滤植嚣 11.4.6 符号 LMS 算法的基本原理 11 .4 .7 符号 LMS 算法的 MATLAB 仿真 11.4.8 符号 LMS 算法的 FPOA 实现 ……........川....................... (391) ..............….................................... (393) (395) ........................................... (396) •... ... .................. .................. (3fJ7) •.... 11.5 变换城 LMS 算法 (399) ................... (4田) 11 .5.1 变换域 LMS 算法的简介 11 .5 .2 变换蜡事行 LMS 算法的基本原理…… .. ............... ... .................. ... ............ (4田) … … • … - 1 1.5 .3额域串行 LMS 算法的 MA1LAB实现 11 .5.4蝠域块 LMS 算法的基本原理 • 1 1. 5.5 颇域辑 LMS 算陆的 MA咀-AB实现 1 1.5.6 蝠埠块 LMS 算法的 FPGA 实现 11.5.7 频域块 LMS 算法和时域 L'岱算法的比较 11.6 递归最小二乘 (RLS) 算法 11.6.1 RLS 算法的基本原理 ........................................... (401) ................... (404) … ............................................ (405) …...............… (406) ............. (418) ….........……................ (419) ......................... .................. ............…… (419 、问却〉 11.6.2 RLS 算法的 MATLAB 实现 .•... .................. ....................................... 11.6.3 RLS 算法的 FPGA 实现 ............. (421) • XI.

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