FPGA应用技术教程

目　录

第1章 信息与通信技术及FPGA开发综述　1

1.1 信息与通信技术的发展概况　1

1.1.1 计算机技术的发展概况　1

1.1.2 信号处理技术的发展　3

1.1.3 通信技术的发展概况　4

1.2 可编程逻辑器件发展概况　8

1.2.1 CPLD　10

1.2.2 FPGA　10

1.3 未来FPGA技术的发展趋势　11

1.3.1 芯片工艺的发展趋势　11

1.3.2 基于FPGA的嵌入式系统(SoPC)技术应用　11

1.3.3 基于IP库的设计方法　12

1.3.4 动态可重构技术　13

1.4 FPGA在信息与通信领域的应用　13

1.4.1 FPGA在计算机技术中的应用　13

1.4.2 FPGA在数字信号处理中的应用　14

1.4.3 FPGA在无线通信系统中的应用　14

1.5 本章小结　15

第2章 FPGA设计基础　16

2.1 可编程逻辑器件结构简述　16

2.1.1 基于乘积项(Product-Term)的PLD　16

2.1.2 基于查找表(Look-Up-Table)的PLD　19

2.2 Xilinx FPGA器件　23

2.2.1 Spartan类　23

2.2.2 Virtex类　28

2.2.3 最新FPGA简介　32

2.3 FPGA的一般设计流程　33

2.3.1 设计准备　34

2.3.2 设计输入　34

2.3.3 功能仿真　35

2.3.4 设计处理　35

2.3.5 时序仿真　36

2.3.6 器件编程与测试　36

2.4 FPGA在DSP领域中的开发　36

2.4.1 利用MATLAB辅助FPGA的逻辑设计　38

2.4.2 Simulink简介　38

2.4.3 System Generator工具简介　39

2.4.4 Simulink和System Generator联合开发　39

2.5 本章小结　43

第3章 ISE软件使用指南　44

3.1 Xilinx公司的EDA集成开发工具　44

3.2 ISE 12.2软件的设计流程　45

3.2.1 创建工程　45

3.2.2 设计输入　48

3.2.3 仿真　53

3.2.4 综合及添加用户约束　58

3.2.5 实现和编程下载　60

3.3 本章小结　63

第4章 VHDL介绍及实例　64

4.1 VHDL的基本概念　64

4.1.1 什么是VHDL　64

4.1.2 VHDL的历史　64

4.1.3 VHDL的优点　65

4.2 VHDL的语法基础　66

4.2.1 VHDL的对象　66

4.2.2 VHDL的数据类型　67

4.2.3 VHDL的运算操作符　69

4.2.4 VHDL的主要描述语句　71

4.3 VHDL的基本结构　81

4.3.1 实体说明　81

4.3.2 结构体(构造体)　83

4.3.3 库、程序包及配置　84

4.4 VHDL设计实例简析　86

4.4.1 组合逻辑电路的设计　86

4.4.2 VHDL在通信系统中的应用　112

4.5 本章小结　133

第5章 实验装置与仪表　137

5.1 实验开发平台　137

5.1.1 Spartan-3E开发套件　137

5.1.2 模块简介与管脚映射　138

5.2 实验仪表　156

5.2.1 脉冲信号发生器　156

5.2.2 数字示波器　158

5.2.3 逻辑分析仪　162

5.2.4 误码仪　166

5.3 本章小结　170

第6章 实验指导　171

实验1 OFDM系统中FFT的VHDL实现　171

一、实验目的　171

二、实验原理　171

三、实验仪器　174

四、实验内容　174

五、实验扩展　175

实验2 数字频率计的设计与实现　175

一、实验目的　175

二、实验原理　175

三、实验仪器　176

四、实验内容　176

五、实验扩展　177

实验3 FIR的VHDL实现　178

一、实验目的　178

二、实验原理　178

三、实验仪器　180

四、实验内容　180

五、实验扩展　182

实验4 PS2键盘接口的VHDL实现　182

一、实验目的　182

二、实验原理　183

三、实验仪器　185

四、实验内容　185

五、实验扩展　186

实验5 简单计算器的VHDL实现　186

一、实验目的　186

二、实验原理　186

三、实验仪器　188

四、实验内容　188

五、实验扩展　189

实验6 16QAM调制解调的VHDL实现　189

一、实验目的　189

二、实验原理　189

三、实验仪器　192

四、实验内容　192

五、实验扩展　193

实验7 线性分组码和CRC校验码编译码的VHDL实现　193

一、实验目的　193

二、实验原理　193

三、实验仪器　195

四、实验内容　195

五、实验扩展　196

实验8 卷积码编译码的VHDL实现　196

一、实验目的　196

二、实验原理　196

三、实验仪器　200

四、实验内容　200

五、实验扩展　201

实验9 实现一个用于CDMA 2000系统的短帧交织器　201

一、实验目的　201

二、实验原理　201

三、实验仪器　204

四、实验内容　205

五、实验扩展　205

实验10 QPSK信号的匹配接收机　205

一、实验目的　205

二、实验原理　206

三、实验仪器　208

四、实验内容　208

五、实验扩展　209

实验11 哈达码矩阵的相关接收机的VHDL实现　209

一、实验目的　209

二、实验原理　210

三、实验仪器　212

四、实验内容　212

五、实验扩展　212

实验12 WCDMA系统扩频码(OVSF码)和下行扰码发生器的VHDL实现　212

一、实验目的　212

二、实验原理　213

三、实验仪器　216

四、实验内容　216

五、实验扩展　217

附录 英文缩略语　218

参考文献　220

1、本书为Xilinx公司大学计划的官方推荐教材2、集理论性、工程性和创新性于一体本书以Xilinx公司的FPGA及其开发平台为基础，综合FPGA和信息通信技术两个方向，以图文并茂、深入浅出的方式，全面、系统地介绍信息通信技术以及FPGA技术的相关发展、FPGA的基本原理、硬件开发流程、开发平台、VHDL语言，以及在信息通信领域开发中常用的仪器仪表等。内容涵盖了FPGA开发的主要方面，并精选了信息与通信技术中的常用关键模块，进行详尽深入的讲解指导，增强了与读者的互动性。书中内容结合作者多年的教学实践以及实际开发经验，具有很高的学习参考和实践指导价值。　　本书内容注重系统化诠释，针对性较强，可满足学习指导和实际工程开发的需求。本书可作为高等院校通信工程、电子信息工程、计算机、微电子与集成电路等相关专业的本科生以及研究生的教材与学习参考书，也可作为电子信息和通信工程师、可编程逻辑开发人员的实用工具书。