遥感精解-书籍
这是一本非常好的遥感基本知识的书，对于初入遥感领域的学者有一定的指导性帮助(京)新登宇065号内容筒介木书是在九十年代初遥感技术飞速发展的基础上,融合了大量最新研究成果編写的。书中全面系统地介绍了遥感技与应用的各个领域。包括;遥感基础、遥感器、微波遥感、遘感平台及数据、人工及计算杋图像处理、遥感应用及地理信息系统等。全书共分I3童,着重对有关原理和概念进行说明,在补充说明中则对理论性、研究性内容进行了咩细论证和叙述,书中谢有大量图表、照片,既便于对正文内容加探理解,又有较高的銎考、保存价值。本书资料新颗、内容广泛,深浅绪合,图文并茂。适合初学者、大专院校师生、各层次的科研人员及管弹人员学习参考遥感精解L日〕遥感研究会編刘勇卫贺雪鸿译测绘出版社出版·发行外文印刷厂印刷新华书脂总店科技级行所经销开本787Xi091/16·印张2075·插页2·字数476千字1993年月第一版·93年12月第一次印刷印数:00012000册·定价:30元JsBN7…5030-0731-]/P·252nI u敬致读者(代序亲爱的读者们:如果您是熟悉方块汉字的中华文化圈的朋友,我属向您推荐这部有关遥感这门高技术的新书。它会让您提纲挈领地了解遥感的基础知识和最新发。本书主绵村井俊治( Shunji murai)教授,他是国际摄影测量与遥感学会( ISPRS主席,亚洲遥感协会ARSC)秘书长。对于中国和亚洲广大读者并不陌生。他的早期著作《遥感原理物要》中译本,就以简明扼要、纲祚目张,深受中国读者欢迎。他主编的《亚太地区遥感应用》反映了亚太地区这一领域的蓬勃发展和巨大潜力,其中热情地介绍了中国遥感界的部分成果。自1981年以来,他为亚洲遥感学会四处奔波,已举办14次学术讨论会,从未间断,对于促进亚太地区遥感秤学技术界的团结合作、进步和繁荣,受到了国际学术界的推和爱戴,与中国遥感界结了深厚的友谊。他几每年都走访中国,热情支持中国组织的国所学术活动。1993年8月,他和他的夫人—位热爱中国的女地理学家。在参加第二届北京国际地理信息系统学术会议和州十早区半干旱风遥感国际学术会之后一道考察」丝绱之路和敦煌文畅。在日本东京大学村井俊治先生的研究室,已逆续不断地接受了十多位中国访问学者和博土硏究,他们在中国有许多老朋友和学生1992年11月,我应邀到东京参加日本字宙开发事业团( NASDA)举办的亚太地区国际空间年大会,村井俊治教授就将这部新的日文版托我转送给中国读者,并热情地表示奉送版税,擤供图版,希望译成中文版。刘勇卫同志毅然承担并很快完成了樂重的编译虫版工作。1993年10月,我到曼谷参加亚太地区空间应用特邀专家会议的时候,村井俊冶教授正在亚洲理工学院(AIT)执教,他对中文版的耵将问世,非常高兴,再三用汉话向可刘勇卫先生和测绘出版社表示感谢。我们相信,这部图文并茂,雅俗共赏的遥感新书,无论对于初学的大专院校青年学生,还是从事教学和关心遥感科技事的专家学者、领导千部,都是值得一读的。特别是为新加坡、港、澳、台的华商同行们,提供了促进相互理解和学术交流的…些新概念和新词汇。本书原是村井俊治教授组织30多位日本谣专家执笔,为日本遥感学会編写的一部髙科技普及读物。它筲明扼要地介绍了有关遥感信息机理、遥感技术和应用领域,共分13章130个小节,毎节图(表)文对照,金书内容丰富、深入浅出、通俗易懂,比铰充分地反映了九十年代遥感的技术进步和应用开发,特别是日本和亚太地区的最新研究成果。在附录中编入的避感卫星时间表、参数表、遥感卫星地面接收站覆盖图,以及插图照片、参考文献等,都体现了太平洋时代和地区的特点,对于中国和亚太地区的读者来说,更是十分难得,倍觉亲切的。l993年L!月,中日双方签订了北京遥感卫星地面站合作接收日本地球资源卫星JERS-1)的协议,在空间上使覆盖范围有可能扩充到亚洲中西部地区;在时间上可以填补美国陆地卫星 Landsat-7发射失败出现的空白。994年9月,联合图亚太地区经社会(UNDP- ESCAP)将在北京召开亚太地区空间应用部长级会议,为亚太地区的空间技术合作和卫星信息共享,为亚洲季夙的环境与白然灾害监测、社会经济持续发展、携手合作,作出奉献。则本书中译本的及时出版,就具有更深远的一层意义。中国科学院学部委员第三让界科学院院士陈述彭993年10月1l日于北京1972年,随着 Landsat-1号发射升空,遷虅技术开始得到广泛的应用。两年后的1974年:H本遥感硏究会成立,最初着手进行的工仵是编写教科书。1975年《遥盛笔记》(技报堂出版)问世。当压,考虐到便于作为教科书使用,故将沙及7个章约70个日的内容以2页对开的形式构成,左边是说明、杈边是图表。这是在日本出版的第一本有关遥感的教科书该我出版后,一直得到遥感界人士的充分利用,而且被许多论文所参考、引用。然,17年后,由于遥戀技术有了很大的发展,该书带要增加新的内容,重新編写。所以我们就遥感器、微波遥感、卫星、图像处理、地理信息系统(GIs)、应用等内容进行了补充和修改《遥感糟解》可以说是17年前岀版的《遥感笔记》的大鯈改版。该书承技报堂之厚意,由日本测量协会出版,在此,仅表达我的谢意最初,我想只做部分修改就可以了,可实际上却做了全面的修改。与前·本书相比,内容量增至13个章节130个条目,几乎多了一倍。执笔者除了当时的5个人外,又新增了约3人,而且几乎都是30岁或40岁的研究人员和技术人员。可以说,这是凝集了日本遥感界新生力量而编写的书。我们还计划将该书译成英文,使世界上更多的人能得以利用。我衷心希望该书能成为日本为甜念哥伦布到达美洲大陆500年和992年国际空间年计划(LSY)的一大贡献。对于日本遥感研究会的成员以及年青执笔者们贡献谨致深深的谢意。日本遥感研究会会长村井俊治1992年秋编者、执笔者名单主编村井俊治编辑委员赤松幸生植木俊明后藤真太郎柴崎亮介下团阳久建石隆太郎E中邦桥本俊昭平出更广泽春任渡边诚执笔者赤松幸牛新井康平计上康司岩下笃植木俊明内田修远藤州小川利绂大山容小池俊雄占宇田亮江田敏幸后藤真太郎斋藤诚柴崎亮介清水英范下田阳久户岛收博高桥佳昭竹内章司竹内延夫建石隆太部田中邦玉井次郎田村昭南丹波澄雄长幸平上居原健德永光暗纳谷美也子桥本俊招早川清二郎平田更一福江洁屯细村宰本多明增子治信松本雅雄松罔龙冶村纯正望日贯一郎森山隆安罔善文柳田聪山本主介力丸厚渡边滤1而本书的使用方法正如“前言”中所说、本书可以说是1975年出版的《遛感笔汜》(技报堂版)的絛改版六书的目的、结构等仍同旧版一样,是考虑到便做为教科书使用而编写的。每一节的内容针对一个条目,左页是简单说明,右页是与该条日有关的图表。对于初学者来说,这种说明,简单明了。在旧版里,觅深度的内容是留给讲师解说的可是,出于遥感技术的普及和发展,我们在进行这次修改时感到,左页的说明里有许多不充分的地方。为此,我们增加了补充悦明,针对正文的内容做了充分的论述。这样,把补充说明加进去,就使本书可能适应具有相当水准的研究人员使用了本书的第二种使用方法是做为自学教科书使馬。遥感的应用技术住各种不同的领城有很大差异。由于篇幅有限,很难将其全部说清。然而,就遥感的基诎和共河技术来说,必须加以说明,而且尽可能歡到使那些没有这方面知识的人也能理解、明白。这样,如果有高山毕业的学历,便能基本掌握整个遥感技术的知识本书的第三种使用方法是做为遥感专家笔记使用。由于遥感涉及了广泛的学科领域,既使是专家也不可能准确无淏地把全部知识记忆下来。而且,要精通所有的领域也是非常困难的。在开始研究新领域的时候,本书可以做为其入门书,而且,在遗忘了某些专业知识的情况下,本书可以做为数据库发挥作用。本书共分13章。第1章是基础,也就是感的概论。第2章是遥感器,讲述现在已被应用成不久的将来有可能应用的遥感器的基砥。第3章和第4章是黴波遥感。由亍搭载各种微波遥感器的圯球观测卫星的出现,该部分与旧版相比,在内容上做了大幅度增加第5章是遥感平台,除了基础之外,附加了有关现在经常使用的地球观测卫星的解说。第6章是关于遥感中所应用的各种数裾及其特性的说明。第7章的内容在旧版中没有考虑到遥感数据的实际利用状况,增加了图象判读的内容。第8章是有关图像处理系统的介绍,第9、10、Ll章是关于图像处理的各个领域的解说。第12章是遥感应用;考虐到要长期使用,所以收集了-些规范的而且尽可能是接近实用的例子。第13章是有关地理信息系统(Gs)的内容。木书中应否加进GIS的内容,编委会内部虽然有不同意见,然而,随着過感实用化的发展,佔计今后GIS的利用会越来越多,所以,从读者的角度考虑,我们还是加进了这方面的内容。在正文的后边附有补充说明,正文中一些没有解释清的及过于专业化的内容在补充说明中加以论述。补充说明与正文,可按各节的号码对照查找。参考文献与引用文献按各小节归纳,并附有连续号码。引用文帐的号码与正文中的号码相对应。加外,若想获取更深塽的知识,也请参照参考文献。在正文中,需参照考文献时用“”符号表示,需参照引用文献时用“)符号表示。书后的附录中,主要汇总了关于遥感卫是的信息。目录敬致读者(代序)本书的使用方法第1章遥感基础1.1遥感的概念·*1(212电磁波的性质………"………(413物质和电磁波的相作用(64电磁波的波段咖音自自冒自■晋音鲁·自即噜备音·咖噜哥即鲁自自鲁自晋咖暗音自自命自■自鲁身命县自自自命自命争鲁自命鲁自身鲁■命自1.5根据波段划分遥感的种类…”*(10116辐射量的定义(121.7黑体辐射晷中自自■自鲁曲喜會冒自血盘鲁14J18反射率…444441461619物体的光谱反射特性郾■团马■忌(181.10太阳光的光谱辐射特性…………………“(201.11大气的透射特性22}2辐射传递理论●■b■■『■尋●國■■■■↓最■■■■■■&●■●●●■■國↓■悬■■●國國■■■■■●●■■■悬口■●司■■■■b(24)第2章遥感器2.遥感器的分类…*4…444446441446444460(26)22光学逕感器的特征…………………---(28)23空门分辨率…………………………………………(30)24分光元件…………………………………………………(32)25分光滤光……………(3426分光计■■■s(36)7光探测元件的种类及性…………………………………”………(38})28遥感摄影机…"*"”*"**"*◆"s(4029遥感用的胶)…………210光机扫描仪■看鲁日■●即国●·■■自■■●●■鲁自自●p西·咖自■自鲁会■■中■P◆和日·中曾中◆鲁鲁◆争脅争ψ唱卿◆中中曾鲁鲁鲁會中鲁中鲁2l推帚式扫描仪…………”…"………”*”(46}212成像光谐仪……,………"”……………”…""………(48)213大气遥感器…650214声波遥感器(52)2.15激光雷达……國●■■●bb■d↓■画己业(54)====第3章微波巡感31微波遥感的原浬■■■↓■即·『●自·↓■■■·自自自■·@·ψ■罪■■血·咖●■口咖■·P■■血命和·唱自ψ■·■■會咖ψ咖鲁罪↓身■··@·自自(56)3,2徽波的衰减…●ψ如ψ甲即(58)33微波的辐射■■■唱q甲中■鲁p■司屮鲁D■曾■甲鲁●命■■鲁身●◆啁中■■自『争学中皆自自●鲁唱申咖血■■口卓鲁中口中■3.4徽波的表面散射中甲冒PPP■中鲁●中萨P會俨血申伽甲曾曾P◆鲁导司曹管早唱中P司自卿曾即中中鲁申◆鲁冒中口即曾■,即會鲁鲁甲鲁口■看p■會62)35微玻的体散射中自●鲁魯(6436天线的种类…””””…"",(6)3.7天线的特性··可伽聊唱司D■咖咖自日日●口·鲁自·自·目看自唱自罪即目备自口自咖口·看■D自自即■自自早自卓即自●自自鲁自◆申68)第4章黴波避感器4.1微波遥感器的分类a“nt(704,2真实孔径达…………"■●血▲↓看■■●●血晶■晶■啬冒■■↓■■↓暴●φ■■●■·聊·ψ·斗■●b·如(72)43合成孔径雪达“………M………,…“……M…………(74)44宙达图像的几何特性…44764.5合成孔竺嘗达图像的重建4.6需达图像的特8)4.7地形引起的雷达图像差异咖自·申毒冒■■自·中●·咖■■■聊↓·咖噜·咖■也■■咖·咖·↓·↓·鲁@·嵋咱昏忌■看斗·自自啬司國口唱(82)4.8微波辐射计“么+么(8449微波散射计………s…(864.10黴渡高度汁本春业界…(88)4l1海面风的测量·■■會會■·會口『■會會■■『會■個十會■會會血■4………….(90)4.12雷达对波浪的测量………44·4444414444(92第5章遥匙平台51遥感平台的利类…94)52高度与大气的状态……(96)53遥感平台的姿态………………………………,…,1(9g)54姿态测量传感器L4本香(100)55卫星的轨道参数……………·…0102)5.6卫星的轨道导中中唱即即冒即冒即曾■■鲁警曾■P■曾『■曾冒譬■■即曾T■甲钾■即曾■聊司曾口■■(104)57卫星位置的测量■■冒↓冒冒曾曾■冒冒即聊『■口目即■即曾冒■普■即鲁节圆昏即唱哥即冒看罪即昏■即看看■即看愚罪冒b看■b106)5,8避感卫星·…·……*…s10859 Landsat卫星中中■曾即甘曾曾ψ冒冒P冒冒■冒■冒备即罪即曾号口即即即即聊司冒即冒甲罪目哥器冒罪罪即冒冒晶■即冒冒聊冒昌晶■晶晶●1(110)5.l0SPOT卫星…*…11,,……0(112)5 IL NOAA卫跟·4"""“…"*114)5,12静止气象卫星…………………………""*""………(116)5.13极平台谭●中●曾鲁号号P■鲁早号冒■号自■■宁唱日鲁音鲁哥鲁■■国↓D自自国司q哥昏哈自■驴·■命自■■■昌晶b伽■晶■品画hb●(118
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锁相环技术原理及FPGA实现
高清扫描版PDF，含章节书签。本书既有锁相环原理又有工程实现，值得一看。尤其是关注数字锁相环的同学，可以了解一下。内容简介本书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 System View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 Verilog HDL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 System View、 MATLAB及 Verilog HDL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、高年级本科生使用未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容版权所有,侵权必究。图书在版编目(C|P)数据锁相环技术原理及FPGA实现/杜勇编著.一北京:电子工业出版社,2016.6ISBN978-7-121-28738-1I.①锁…ⅡI.①杜…Ⅲ①锁相环一研究Ⅳ.①TN9118中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第095248号责任编辑:田宏峰印刷:北京京师印务有限公司装订:北京京师印务有限公司出版发行:电子工业出版社北京市海淀区万寿路173信箱邮编10006开本:787×10921/16印张:18.25字数:465千字版次:2016年6月第1版印次:2016年6月第1次印刷印数:3000册定价:6800元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系,联系及邮购电话:(010)88254888,88258888质量投诉请发邮件至zs@Dphei.com.cn,盗版侵权举报请发邮件至dbq@phei.com.cn本书咨询联系方式:tianhf@phei.com.cn。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 System View、 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。前言Ⅲ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 ldl语言、 Quartus、 MATLAB和 System View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P核进行介绍,讨论了各P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 System View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)一实践(工程)一学习理论)一实践(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。要深入硏究锁相环技术,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δ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 System View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Ⅳ锁相环技术原理及FPGA实现相环的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,静心硏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,我们己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Aera公司的FPGA器件作为开发平台,采用 QuartusⅡ2.1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P核资源,两家公司的P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前言计思路和方法,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。如何使用本书木书在讨论锁相环的基木概念及工作原理时,主要用到了 System View5.0版本软件。关于 System View5.0软件的特点及使用方法在本书第1章进行了简要介绍。 System View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 System View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;然后在QuartusⅡ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 Test Bench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,随书配套的网络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,而后将配套网络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“ simulationmodelsim”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Ⅵ|锁相环技术原理及FPGA实现下,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,如果他的使命迷失了,也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.blog163.com,作者邮箱:duyongcn@sina.cn。杜勇2016年4月前言目录Contents第1章设计环境及开发平台介绍1.1FPGA基础知识····+1.1.基本概念及发展历程……………·,··,,2241.1.2FPGA的结构和工作原理……1.1.3FPGA在数字信号处理中的应用“·““““““………121.2 Altera器件简介…1213 Verilog HDL语言简介………………………………………151.3.1HDL语言简介…………151.3.2 Verilog HDL语言特点161.3.3 Verilog HDL程序结构…卡““为“节“““”““牛……………………1714 QuartusⅡ开发套件…………1814. I Quartus I开发套件简介……………………………………………………1814.2 Quartus II软件的用户界面191.5 Modelsim仿真软件…221.6 MATLAB软件……………………………………………………·241.6.1 MATLAB软件介绍………2416.2 MATLAB工作界面………………………………………241.6.3 MATLAB的特点及优势……251.64 MATLAB与 Quartus的数据交互………2717 System View软件…2817.1 System View简介……281.7.2 System View工作界面……291.8小结——欲善其事先利其器…32第2章FPGA数字信号处理基础……332.1FPGA中数的表示…2.1.1莱布尼兹与二进制……………………………………………………………342.1.2定点数表示352.1.3浮点数表示…………·444,4·,,+3622FPGA中数的运算……02.2.1加/减法运算…………………………………4022.2乘法运算……4322.3除法运算22.4有效数据位的计算目录IX23有限字长效应4723.1字长效应的产生因素4723.2AD转换的字长效应4823.3系统运算中的字长效应………………………………………………4924FPGA中的常用处理模块24.1加法器模块…………………………………………………5124.2乘法器模块……2.4.3除法器模块……4.44444、562.4.4浮点运算模块572.5小结—四个过桥人………59第3章锁相环为什么能够跟踪相位613.1锁相环的组成…………623.1.1关注信号的相位分量……………………………………623.1.2VCO是一个积分器件3.1.3正弦鉴相器还是余弦鉴相器653.1.4环路滤波器的作用…………683.2从负反馈电路理解锁相环…693.2.1反馈电路的概念3.2.2负反馈电路的控制作用703.2.3锁相环与基本负反馈电路的区别…………………………………713.2.4分析锁相环的工作状态…33最简单的锁相环………………………1733.3.1一阶锁相环的 System View模型733.3.2确定VCO输出的同相支路434锁相环的基本性能参数………………………………………………773.4.1捕获及跟踪过程3.4.2环路的基本性能要求..,…………………………783.5分析一阶环的基本参数…3.5.1数学方法求解一阶环…………………………793.5.2图解法分析一阶环工作过程……813.53工程设计与理论分析的差异…3.54遗忘的参数一鉴相滤波器截止频率……………………3.6小结——千条路与磨豆腐87第4章一阶锁相环的FPGA实现4.1一阶环的数字化模型…………4.1.1工程实例需求……………………………………………………………904.1.2数字鉴相器914.1.3数控振荡器…4.1.4计算环路增益…………944.2数字鉴相滤波器设计………………………………X锁相环技术原理及FPGA实现
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