数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现：Altera/Verilog版（第2版）

　　《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现：Altera/Verilog版（第2版）》以Altera公司的FPGA为开发平台，以MATLAB及Verilog HDL为开发工具，详细阐述数字调制解调技术的FPGA实现原理、结构、方法和仿真测试过程，并通过大量工程实例分析FPGA实现过程中的具体技术细节。主要内容包括FPGA实现数字信号处理基础、ASK调制解调、PSK调制解调、FSK调制解调、QAM调制解调以及扩频通信等。该书思路清晰、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调制解调技术的FPGA设计的知识和技能。作者精心设计了与该书配套的FPGA开发板，详细讲解了工程实例的板载测试步骤及方法，形成了从理论到实践的完整学习过程，可以有效加深读者对调制解调技术的理解。该书的配套资料收录了完整的MATLAB及Verilog HDL代码，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。

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年于国防科技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、无线通信以及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（第2版）》、《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》等多部著作。

第1章　数字通信及FPGA概述 （1）
1．1　数字通信系统概述 （1）
1．1．1　数字通信的一般处理流程 （1）
1．1．2　本书讨论的通信系统模型 （3）
1．1．3　数字通信的特点及优势 （4）
1．1．4　数字通信的发展概述 （6）
1．2　数字通信中的几个基本概念 （7）
1．2．1　与频谱相关的概念 （7）
1．2．2　带宽的定义 （10）
1．2．3　采样与频谱搬移 （13）
1．2．4　噪声与信噪比 （17）
1．3　FPGA的基础知识 （18）
1．3．1　从晶体管到FPGA （18）
1．3．2　FPGA的发展趋势 （21）
1．3．3　FPGA的组成结构 （22）
1．3．4　FPGA的工作原理 （27）
1．4　FPGA与其他处理平台的比较 （29）
1．4．1　ASIC、DSP及ARM的特点 （29）
1．4．2　FPGA的特点及优势 （30）
1．5　Altera公司FPGA简介 （31）
1．6　FPGA开发板CRD500 （33）
1．6．1　CRD500简介 （33）
1．6．2　CRD500典型应用 （35）
1．7　小结 （36）
参考文献 （36）
第2章　设计语言及环境介绍 （38）
2．1　HDL简介 （38）
2．1．1　HDL的特点及优势 （38）
2．1．2　选择VHDL还是Verilog HDL （39）
2．2　Verilog HDL基础 （40）
2．2．1　Verilog HDL的特点 （40）
2．2．2　Verilog HDL程序结构 （41）
2．3　FPGA开发工具及设计流程 （43）
2．3．1　Quartus II开发软件 （43）
2．3．2　ModelSim仿真软件 （46）
2．3．3　FPGA设计流程 （48）
2．4　MATLAB软件 （50）
2．4．1　MATLAB简介、工作界面和优势 （50）
2．4．2　MATLAB中常用的信号处理函数 （53）
2．5　MATLAB与Quartus II的数据交换 （60）
2．6　小结 （60）
参考文献 （61）
第3章　FPGA实现数字信号处理基础 （62）
3．1　FPGA中数的表示 （62）
3．1．1　莱布尼兹与二进制 （62）
3．1．2　定点数表示 （63）
3．1．3　浮点数表示 （64）
3．2　FPGA中数的运算 （67）
3．2．1　加、减法运算 （67）
3．2．2　乘法运算 （70）
3．2．3　除法运算 （71）
3．2．4　有效数据位的计算 （71）
3．3　有限字长效应 （74）
3．3．1　有限字长效应的产生原因 （74）
3．3．2　A/D转换的有限字长效应 （75）
3．3．3　系统运算中的有限字长效应 （76）
3．4　FPGA中的常用处理模块 （78）
3．4．1　加法器模块 （78）
3．4．2　乘法器模块 （80）
3．4．3　除法器模块 （82）
3．4．4　浮点数运算模块 （83）
3．5　小结 （84）
参考文献 （85）
第4章　滤波器的MATLAB与FPGA实现 （86）
4．1　滤波器概述 （86）
4．1．1　滤波器的分类 （86）
4．1．2　滤波器的特征参数 （88）
4．2　FIR滤波器与IIR滤波器的原理 （89）
4．2．1　FIR滤波器原理 （89）
4．2．2　IIR滤波器原理 （90）
4．2．3　IIR滤波器与FIR滤波器的比较 （90）
4．3　FIR滤波器的MATLAB设计 （91）
4．3．1　利用fir1函数设计FIR滤波器 （91）
4．3．2　利用kaiserord函数设计FIR滤波器 （94）
4．3．3　利用fir2函数设计FIR滤波器 （94）
4．3．4　利用firpm函数设计FIR滤波器 （96）
4．4　IIR滤波器的MATLAB设计 （98）
4．4．1　利用butter函数设计IIR滤波器 （98）
4．4．2　利用cheby1函数设计IIR滤波器 （99）
4．4．3　利用cheby2函数设计IIR滤波器 （100）
4．4．4　利用ellip函数设计IIR滤波器 （100）
4．4．5　利用yulewalk函数设计IIR滤波器 （101）
4．4．6　几种滤波器设计函数的比较 （101）
4．5　FIR滤波器的FPGA实现 （103）
4．5．1　FIR滤波器的实现结构 （103）
4．5．2　采用IP核实现FIR滤波器 （107）
4．5．3　MATLAB仿真测试数据 （112）
4．5．4　仿真测试Verilog HDL的设计 （114）
4．5．5　FPGA实现后的仿真测试 （116）
4．6　IIR滤波器的FPGA实现 （118）
4．6．1　IIR滤波器的结构形式 （118）
4．6．2　级联型结构IIR滤波器的系数量化 （120）
4．6．3　级联型结构IIR滤波器的FPGA实现 （124）
4．6．4　FPGA实现后的仿真测试 （127）
4．7　IIR滤波器的板载测试 （128）
4．7．1　硬件接口电路 （128）
4．7．2　板载测试程序 （129）
4．7．3　板载测试验证 （131）
4．8　小结 （132）
参考文献 （132）
第5章　ASK调制解调技术的FPGA实现 （134）
5．1　ASK调制解调原理 （134）
5．1．1　ASK信号的产生 （134）
5．1．2　ASK信号的解调 （136）
5．1．3　ASK解调的性能 （137）
5．1．4　多进制振幅调制 （138）
5．2　ASK信号的MATLAB仿真 （138）
5．3　ASK信号的FPGA实现 （141）
5．3．1　FPGA实现模型及参数说明 （141）
5．3．2　ASK信号的Verilog HDL设计 （143）
5．3．3　FPGA实现ASK信号后的仿真测试 （144）
5．4　非相干解调法的MATLAB仿真 （146）
5．5　非相干解调法的FPGA实现 （148）
5．5．1　非相干解调法的FPGA实现模型及参数说明 （148）
5．5．2　非相干解调法的Verilog HDL设计 （148）
5．5．3　FPGA实现非相干解调法后的仿真测试 （150）
5．6　符号判决门限的FPGA实现 （151）
5．6．1　确定ASK解调信号的判决门限 （152）
5．6．2　判决门限模块的Verilog HDL实现 （152）
5．6．3　FPGA实现判决门限模块后的仿真测试 （154）
5．7　位同步技术的FPGA实现 （154）
5．7．1　位同步技术的工作原理 （154）
5．7．2　位同步模块的Verilog HDL实现 （157）
5．7．3　双相时钟信号的Verilog HDL实现 （159）
5．7．4　微分鉴相模块的Verilog HDL实现 （160）
5．7．5　单稳态触发器的Verilog HDL实现 （162）
5．7．6　控制分频模块的Verilog HDL实现 （164）
5．7．7　FPGA实现及仿真测试 （165）
5．8　ASK信号解调系统的FPGA实现及仿真 （166）
5．8．1　解调系统的Verilog HDL实现 （166）
5．8．2　完整系统的仿真测试 （168）
5．9　ASK调制解调系统的板载测试 （171）
5．9．1　硬件接口电路 （171）
5．9．2　板载测试程序 （171）
5．9．3　板载测试验证 （174）
5．10　小结 （175）
参考文献 （176）
第6章　FSK调制解调技术的FPGA实现 （177）
6．1　FSK调制解调原理 （177）
6．1．1　2FSK信号的时域表示 （177）
6．1．2　相关系数与频谱特性 （178）
6．1．3　非相干解调法的原理 （180）
6．1．4　相干解调法原理 （182）
6．1．5　解调方法的应用条件分析 （183）
6．2　2FSK信号的MATLAB仿真 （184）
6．2．1　不同调制指数的2FSK信号仿真 （184）
6．2．2　2FSK信号非相干解调的仿真 （185）
6．2．3　2FSK信号相干解调的仿真 （191）
6．3　FSK信号的FPGA实现 （194）
6．3．1　FSK信号的产生方法 （194）
6．3．2　2FSK信号的Verilog HDL实现 （195）
6．3．3　FPGA实现后的仿真测试 （196）
6．4　2FSK信号解调的FPGA实现 （197）
6．4．1　解调模型及参数设计 （197）
6．4．2　2FSK信号解调系统的Verilog HDL实现 （198）
6．4．3　FPGA实现后的仿真测试 （203）
6．5　MSK信号的产生原理 （205）
6．5．1　MSK信号的时域特征 （205）
6．5．2　MSK信号的频谱特性 （206）
6．5．3　MSK信号的产生方法 （207）
6．6　MSK信号的FPGA实现 （209）
6．6．1　实例参数及模型设计 （209）
6．6．2　MSK信号的Verilog HDL实现及仿真 （210）
6．7　MSK信号的解调原理 （211）
6．7．1　延迟差分解调法 （211）
6．7．2　平方环相干解调法 （212）
6．8　MSK信号解调的MATLAB仿真 （214）
6．8．1　仿真模型及参数说明 （214）
6．8．2　MSK信号的平方环相干解调的MATLAB仿真 （214）
6．9　平方环的FPGA实现 （217）
6．9．1　锁相环的工作原理 （217）
6．9．2　平方环的工作原理 （220）
6．9．3　平方环性能参数设计 （221）
6．9．4　平方环的Verilog HDL设计 （223）
6．9．5　FPGA实现后的仿真测试 （227）
6．10　MSK信号解调的FPGA实现 （228）
6．10．1　MSK信号解调环路参数设计 （228）
6．10．2　顶层模块的Verilog HDL设计 （230）
6．10．3　脉冲成形及解调模块的Verilog HDL设计 （234）
6．10．4　MSK信号解调环路FPGA实现后的仿真测试 （236）
6．11　2FSK调制解调的板载测试 （237）
6．11．1　硬件接口电路 （237）
6．11．2　板载测试程序 （238）
6．11．3　板载测试验证 （239）
6．12　小结 （240）
参考文献 （241）
第7章　PSK调制解调技术的FPGA实现 （243）
7．1　DPSK调制解调原理 （243）
7．1．1　DPSK信号的调制原理 （243）
7．1．2　采用Costas环解调DPSK信号 （245）
7．1．3　DPSK调制解调的MATLAB仿真 （246）
7．2　DPSK信号解调的FPGA实现 （249）
7．2．1　Costas环的参数设计 （249）
7．2．2　Costas环的Verilog HDL设计 （251）
7．2．3　FPGA实现后的仿真测试 （254）
7．3　DQPSK调制解调原理 （254）
7．3．1　QPSK调制原理 （254）
7．3．2　双比特码元的差分编/解码原理 （256）
7．3．3　DQPSK信号的解调原理 （257）
7．3．4　DQPSK调制解调的MATLAB仿真 （260）
7．4　DQPSK信号的FPGA实现 （264）
7．4．1　差分编/解码的Verilog HDL设计 （264）
7．4．2　DQPSK信号的Verilog HDL设计 （267）
7．5　DQPSK信号解调的FPGA实现 （272）
7．5．1　极性Costas环的Verilog HDL设计 （272）
7．5．2　FPGA实现后的仿真测试 （276）
7．5．3　跟踪策略和解调性能 （277）
7．5．4　DQPSK信号解调系统的设计 （279）
7．5．5　DQPSK信号解调系统的仿真测试 （282）
7．6　?/4 QPSK调制解调原理 （283）
7．6．1　?/4 QPSK调制原理 （283）
7．6．2　匹配滤波器与成形滤波器 （285）
7．6．3　?/4 QPSK信号的差分解调原理 （290）
7．6．4　?/4 QPSK调制解调的MATLAB仿真 （291）
7．7　?/4 QPSK调制解调的FPGA实现 （295）
7．7．1　基带编码的Verilog HDL设计 （295）
7．7．2　差分解调的Verilog HDL设计 （299）
7．7．3　FPGA实现后的仿真测试 （304）
7．8　DQPSK调制解调系统的板载测试 （305）
7．8．1　硬件接口电路 （305）
7．8．2　板载测试程序 （305）
7．8．3　板载测试验证 （307）
7．9　小结 （308）
参考文献 （309）
第8章　QAM调制解调技术的FPGA实现 （310）
8．1　QAM调制解调的原理 （310）
8．1．1　QAM调制解调系统的组成 （310）
8．1．2　差分编码与星座映射 （311）
8．1．3　16QAM调制解调的MATLAB仿真 （313）
8．2　16QAM信号编/解码的FPGA实现 （317）
8．2．1　16QAM信号编码的Verilog HDL设计 （317）
8．2．2　16QAM信号解码的Verilog HDL设计 （321）
8．2．3　FPGA实现16QAM信号编/解码的仿真测试 （322）
8．3　QAM载波同步的FPGA实现 （323）
8．3．1　QAM中常用的载波同步算法[10] （323）
8．3．2　极性判决算法的FPGA实现 （326）
8．3．3　DD算法载波同步的FPGA实现 （330）
8．4　插值算法位同步技术原理 （337）
8．4．1　位同步技术的分类及组成 （337）
8．4．2　内插滤波器的原理及结构 （339）
8．4．3　Gardner定时误差检测算法 （341）
8．4．4　环路滤波器与数控振荡器 （342）
8．5　插值算法位同步技术的MATLAB仿真 （343）
8．5．1　环路滤波器系数的设计 （343）
8．5．2　Gardner定时误差检测算法的MATLAB仿真程序 （344）
8．5．3　16QAM信号位同步算法的仿真 （349）
8．6　插值算法位同步技术的FPGA实现 （351）
8．6．1　顶层模块的Verilog HDL设计 （351）
8．6．2　内插滤波器模块的Verilog HDL设计 （353）
8．6．3　定时误差检测及环路滤波器模块的Verilog HDL设计 （355）
8．6．4　数控振荡器及插值间隔产生模块的Verilog HDL设计 （358）
8．6．5　插值算法位同步技术FPGA实现后的仿真测试 （359）
8．7　插值算法位同步环的板载测试 （362）
8．7．1　硬件接口电路 （362）
8．7．2　板载测试程序 （363）
8．7．3　板载测试验证 （364）
8．8　小结 （365）
参考文献 （365）
第9章　扩频调制解调技术的FPGA实现 （367）
9．1　扩频通信的基本原理 （367）
9．1．1　扩频通信的概念 （367）
9．1．2　扩频通信的种类 （368）
9．1．3　直扩系统的工作原理 （370）
9．2　直扩系统调制信号的MATLAB仿真 （372）
9．2．1　伪码序列的产生原理 （372）
9．2．2　MATLAB仿真直扩系统调制信号 （373）
9．3　直扩系统调制信号的FPGA实现 （377）
9．3．1　伪码模块的Verilog HDL设计 （377）
9．3．2　扩频调制模块的Verilog HDL设计 （378）
9．4　伪码同步的原理 （381）
9．4．1　滑动相关捕获原理 （382）
9．4．2　延迟锁相环的跟踪原理 （383）
9．5　伪码同步算法的设计及仿真 （384）
9．5．1　伪码同步算法的设计 （384）
9．5．2　捕获及跟踪门限的MATLAB仿真 （385）
9．6　伪码同步的FPGA实现 （388）
9．6．1　顶层模块的Verilog HDL设计 （388）
9．6．2　伪码模块的Verilog HDL设计 （390）
9．6．3　相关积分模块的Verilog HDL设计 （392）
9．6．4　伪码相位调整模块的Verilog HDL设计 （393）
9．6．5　FPGA实现后的仿真测试 （396）
9．7　直扩系统解调环路的FPGA实现 （397）
9．7．1　Costas环的Verilog HDL设计 （398）
9．7．2　FPGA实现后的仿真测试 （401）
9．8　小结 （403）
参考文献 （403）

　　自2012年出版《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》后，根据广大读者的反馈和需求，作者从滤波器、同步技术和调制解调三个方面，出版了数字通信技术的MATLAB与FPGA实现系列图书。根据采用的FPGA和硬件描述语言的不同，这套图书分为Xilinx/VHDL版（采用Xilinx公司的FPGA和VHDL）和Altera/Verilog版（采用Altera公司的FPGA与VerilogHDL）。这套图书能够给广大工程师及在校学生的工作和学习有所帮助，是作者莫大的欣慰。
　　作者在2015年出版了Altera/Verilog版，在2017年出版了Xilinx/VHDL版。针对Xilinx/VHDL版，作者精心设计了FPGA开发板CXD301，并在Xilinx/VHDL版中增加了板载测试内容，取得了良好效果，对读者的帮助很大。
　　根据广大读者的建议，以及Xilinx/VHDL版的启发，作者从2018年开始着手Altera/Verilog版的改版工作。但限于时间及精力，以及对应的开发板CRD500的研制进度，迟迟没有完稿，一晃竟推迟了近两年的时间。
　　与本书第1版相比，这次改版主要涉及以下几个方面：
　　（1）对涉及FPGA工程实例的章节，增加了主要工程实例的板载测试内容（基于开发板CRD500进行板载测试），给出了测试程序代码，并对测试结果进行了分析。
　　（2）Quartus软件更新很快，几乎每年都会推出新的版本。2014及以前的版本均为Quartus II，2015年后推出的版本更名为Quartus Prime，目前最新的版本是Quartus Prime 18.1。Quartus II和Quartus Prime的设计界面相差不大，设计流程也几乎完全相同。其中，Quartus 13是最后同时支持32 bit及64 bit系统的软件版本，后续版本仅支持64 bit系统。为了兼顾更广泛的设计平台，同时考虑到软件版本的稳定性，本书及开发板配套例程均采用Quartus 13.1。本书第1版采用的是MATLAB 7.0，这次改版采用的是MATLAB R2014a。
　　（3）为了便于在CRD500上进行板载测试验证，对部分工程实例参数进行了适当的调整。
　　（4）在编写板载测试内容时，发现本书第1版中的部分程序还有需要完善的地方，这次改版对这些程序进行了补充及优化。
　　（5）根据读者的反馈信息，修改了本书第1版中的一些叙述不当或不准确的地方。
　　限于作者水平，本书的不足之处在所难免，敬请读者批评指正。欢迎大家就相关技术问题进行交流，或对本书提出改进建议。
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