面向 Zynq-7000 SoC 的軟件定義無(wú)線電原理及實(shí)現(xiàn)：涵蓋 GNU Radio 和 MATLAB 軟件的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄
第1章 軟件定義無(wú)線電技術(shù)基礎(chǔ) 1
1.1 無(wú)線電頻譜及分配 1
1.1.1 無(wú)線電頻譜的定義 1
1.1.2 無(wú)線電頻譜分配 3
1.1.3 頻譜許可和合法使用 4
1.1.4 頻譜政策 4
1.2 自由空間路徑損耗 5
1.3 軟件定義無(wú)線電的發(fā)展歷史 6
1.4 通信系統(tǒng)的分層模型 9
1.4.1 開(kāi)放系統(tǒng)互連模型 9
1.4.2 TCP/IP模型 11
1.5 無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn) 12
1.5.1 通信標(biāo)準(zhǔn)的定義和重要性 12
1.5.2 Wi-Fi的發(fā)展歷程 14
1.5.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 15
1.6 SDR實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧 16
1.6.1 MAC和PHY 16
1.6.2 上層 17
1.6.3 無(wú)線物理層 17
第2章 軟件定義無(wú)線電平臺(tái)硬件和軟件架構(gòu) 19
2.1 軟件定義無(wú)線電架構(gòu)的演進(jìn) 19
2.1.1 基帶采樣/模擬中頻基帶采樣SDR 19
2.1.2 數(shù)字中頻采樣SDR 20
2.1.3 帶可調(diào)諧RF的基帶采樣SDR 20
2.1.4 直接射頻SDR 22
2.2 可重構(gòu)軟件定義無(wú)線電平臺(tái)硬件架構(gòu) 23
2.2.1 Xilinx Zynq-7000異構(gòu)架構(gòu)SoC 23
2.2.2 ADI的AD9361射頻收發(fā)器 23
2.2.3 軟件無(wú)線電硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 27
2.2.4 Vivado底層硬件框架 29
2.3 使用軟件無(wú)線電框架的必要性 49
2.4 ADI的IIO子系統(tǒng) 51
2.5 GNU Radio軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)框架 55
2.5.1 GNU Radio的發(fā)展歷史 55
2.5.2 GNU Radio的功能 56
2.5.3 GNU Radio的初衷 57
2.5.4 GNU Radio中的典型塊 59
2.6 MathWorks軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)框架 60
2.6.1 AD9361 Simulink模型 60
2.6.2 通用的通信和DSP系統(tǒng)工具箱功能 63
2.6.3 面向硬件可編程邏輯的Simulink工具流程 64
2.6.4 SDR設(shè)計(jì)中的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的框架 64
2.6.5 SDR設(shè)計(jì)中的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn) 65
2.7 動(dòng)態(tài)可重配置軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)框架 68
2.7.1 動(dòng)態(tài)可重配置技術(shù)與SoC結(jié)構(gòu)的結(jié)合 68
2.7.2 動(dòng)態(tài)可重配置技術(shù)的核心單元 69
第3章 軟件定義無(wú)線電平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建 71
3.1 Vivado設(shè)計(jì)套件的下載和安裝 71
3.1.1 Vivado設(shè)計(jì)套件的設(shè)計(jì)流程 71
3.1.2 Vivado設(shè)計(jì)套件的下載 73
3.1.3 Vivado設(shè)計(jì)套件的安裝 75
3.1.4 添加許可文件 79
3.1.5 添加板支持包 81
3.2 GNU Radio軟件的下載和安裝 81
3.2.1 GNU Radio軟件的下載 81
3.2.2 GNU Radio軟件的安裝 83
3.3 MATLAB軟件的下載和安裝 86
3.3.1 MATLAB軟件的下載 86
3.3.2 MATLAB軟件的安裝 87
3.3.3 安裝Simulink軟件支持包 93
3.3.4 添加HDL Coder工具補(bǔ)丁包 96
3.3.5 安裝定制硬件平臺(tái)的軟件支持包 97
第4章 通信信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí) 98
4.1 調(diào)制和解調(diào) 98
4.2 射頻術(shù)語(yǔ)和參數(shù) 98
4.3 多速率信號(hào)處理 99
4.3.1 多速率采樣的原因 99
4.3.2 過(guò)采樣ADC和DAC 100
4.3.3 抽取 101
4.3.4 插值 102
4.3.5 半帶和L帶濾波器 103
4.3.6 抽取和插值級(jí)聯(lián) 104
4.4 基帶調(diào)制（位到符號(hào)） 106
4.4.1 正交調(diào)制與符號(hào)空間維度 106
4.4.2 幅移鍵控 107
4.4.3 正交幅度調(diào)制 107
4.4.4 相移鍵控 109
4.4.5 其他調(diào)制方案 110
4.5 基帶解調(diào)（符號(hào)到位） 110
4.5.1 符號(hào)判決 111
4.5.2 加性高斯白噪聲信道 111
4.5.3 誤差矢量幅度 113
4.5.4 比特錯(cuò)誤率 113
4.6 無(wú)線信道 113
4.6.1 信道效應(yīng) 114
4.6.2 解決方法 117
4.7 脈沖整形與匹配濾波 118
4.7.1 符號(hào)作為脈沖 119
4.7.2 脈沖整形要求和實(shí)現(xiàn) 119
4.7.3 平方根升余弦匹配濾波 120
4.7.4 最大效果點(diǎn) 121
4.8 比特錯(cuò)誤率分析 121
第5章 正交調(diào)制和復(fù)指數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 123
5.1 信號(hào)的表示 123
5.1.1 模擬和數(shù)字信號(hào) 123
5.1.2 實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)信號(hào) 123
5.1.3 歐拉公式 124
5.1.4 使用復(fù)數(shù)頻譜在頻域中查看實(shí)信號(hào) 125
5.2 幅度調(diào)制和解調(diào) 129
5.2.1 雙邊帶抑制載波幅度調(diào)制 130
5.2.2 幅度解調(diào) 131
5.2.3 帶有相位誤差的幅度解調(diào) 132
5.3 正交幅度調(diào)制和解調(diào) 133
5.3.1 正交調(diào)制的三角表示 133
5.3.2 正交解調(diào)的三角表示 134
5.3.3 帶相位移動(dòng)的正交解調(diào) 135
5.4 復(fù)數(shù)符號(hào)的正交調(diào)制和解調(diào) 136
5.4.1 復(fù)指數(shù)表示法的正交調(diào)制 136
5.4.2 復(fù)指數(shù)表示法的正交解調(diào) 137
5.5 復(fù)指數(shù)解調(diào)的頻譜表示 138
5.6 接收機(jī)的頻率偏移和校正 141
第6章 前向糾錯(cuò)的基本原理和實(shí)現(xiàn) 143
6.1 前向糾錯(cuò)概論 143
6.1.1 前向糾錯(cuò)的背景 143
6.1.2 前向糾錯(cuò)的基本原理 143
6.1.3 最大似然譯碼 146
6.2 漢明碼 146
6.2.1 漢明碼的參數(shù) 146
6.2.2 最小距離的定義及其和糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力的關(guān)系 147
6.2.3 一致監(jiān)督矩陣 147
6.2.4 生成矩陣 149
6.2.5 線性分組碼的編碼 149
6.2.6 線性分組碼的譯碼 150
6.3 循環(huán)碼 153
6.3.1 循環(huán)碼的定義和生成多項(xiàng)式 154
6.3.2 監(jiān)督多項(xiàng)式和監(jiān)督矩陣 156
6.3.3 (n,k)循環(huán)碼的編碼 157
6.3.4 (n,k)循環(huán)碼的譯碼 161
6.4 卷積碼 167
6.5 維特比譯碼器 169
6.6 BCJR、Log-MAP和Max-Log-MAP算法 172
6.6.1 BCJR算法 172
6.6.2 Log-MAP和MAX-Log-MAP算法 174
6.7 卷積碼的性能 175
6.8 衰落信道的前向糾錯(cuò) 176
6.9 Turbo碼 177
6.10 LDPC碼 181
6.10.1 編碼 181
6.10.2 譯碼 183
6.10.3 5G NR標(biāo)準(zhǔn)中的LDPC碼 186
第7章 軟件定義無(wú)線電系統(tǒng)同步原理和實(shí)現(xiàn) 188
7.1 信號(hào)的同步問(wèn)題 188
7.2 定時(shí)同步 189
7.2.1 符號(hào)定時(shí)原理 189
7.2.2 符號(hào)定時(shí)恢復(fù)結(jié)構(gòu) 189
7.2.3 定時(shí)誤差檢測(cè)器 190
7.2.4 定時(shí)分辨率 196
7.3 載波同步 196
7.3.1 載波偏移 197
7.3.2 粗頻率校正 197
7.3.3 細(xì)頻率校正 198
7.4 幀同步 204
7.4.1 幀的常見(jiàn)格式 205
7.4.2 巴克碼 205
7.4.3 Zadoff-Chu序列 209
7.4.4 高萊互補(bǔ)序列 211
第8章 信道估計(jì)與均衡原理和實(shí)現(xiàn) 213
8.1 多徑干擾 213
8.2 信道估計(jì) 214
8.3 均衡器 217
8.3.1 線性均衡器 217
8.3.2 非線性均衡器 220
第9章 FM和FSK的GNU Radio實(shí)現(xiàn) 223
9.1 FM的原理和相關(guān)參數(shù) 223
9.1.1 FM的原理 223
9.1.2 FM的相關(guān)參數(shù) 224
9.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境支持 225
9.3 FM發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 226
9.3.1 啟動(dòng)GNU Radio軟件 226
9.3.2 添加Wav File Source塊 227
9.3.3 添加WBFM Transmit塊 228
9.3.4 添加QT GUI Time Sink塊 229
9.3.5 添加QT GUI Sink塊 231
9.3.6 添加FMComms2/3/4 Sink塊 232
9.3.7 連接流程圖中的塊 233
9.3.8 保存設(shè)計(jì) 234
9.4 FM接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 234
9.4.1 啟動(dòng)GNU Radio軟件 234
9.4.2 添加FMComms2/3/4 Source塊 235
9.4.3 添加QT GUI Sink塊 236
9.4.4 添加Low Pass Filter塊（一） 237
9.4.5 添加WBFM Receive塊 238
9.4.6 添加Multiply Const塊 239
9.4.7 添加Low Pass Filter塊（二） 241
9.4.8 添加Audio Sink塊 241
9.4.9 連接流程圖中的塊 242
9.4.10 保存設(shè)計(jì) 244
9.5 系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證 244
9.5.1 鏡像文件的復(fù)制 244
9.5.2 安裝PuTTY軟件工具 246
9.5.3 硬件平臺(tái)的設(shè)置和啟動(dòng) 247
9.5.4 配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 249
9.5.5 FM無(wú)線傳輸系統(tǒng)的硬件測(cè)試 250
9.6 FSK的原理 252
9.6.1 2-FSK的原理 252
9.6.2 其他FSK方式 254
9.7 FSK原理仿真 255
9.7.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 257
9.7.2 信源生成子系統(tǒng) 257
9.7.3 FSK調(diào)制子系統(tǒng) 258
9.7.4 FSK解調(diào)與驗(yàn)證子系統(tǒng) 258
9.7.5 FSK原理仿真 260
9.8 FSK發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 260
9.8.1 FSK發(fā)射機(jī)的參數(shù) 262
9.8.2 FSK發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu) 262
9.9 FSK接收機(jī)的設(shè)計(jì) 263
9.9.1 FSK解調(diào)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 265
9.9.2 FSK數(shù)據(jù)恢復(fù)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 265
9.10 FSK文件傳輸系統(tǒng)測(cè)試 266
9.10.1 測(cè)試前的準(zhǔn)備工作 266
9.10.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 267
第10章 BPSK和QPSK無(wú)線傳輸?shù)腟imulink實(shí)現(xiàn) 271
10.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 271
10.2 BPSK和QPSK基帶處理器的設(shè)計(jì) 272
10.2.1 創(chuàng)建新的Simulink設(shè)計(jì)模型 272
10.2.2 符號(hào)映射 276
10.2.3 整形濾波 279
10.2.4 自動(dòng)增益控制 280
10.2.5 粗頻率校正 281
10.2.6 細(xì)頻率校正 284
10.2.7 時(shí)序同步 288
10.2.8 幀同步 290
10.2.9 抽樣判決 292
10.3 基帶處理模塊功能仿真與系統(tǒng)仿真 292
10.3.1 QPSK仿真環(huán)境的構(gòu)建 292
10.3.2 查看系統(tǒng)采樣率 294
10.3.3 按模塊功能仿真 295
10.3.4 系統(tǒng)功能仿真 301
10.3.5 BPSK功能仿真 301
10.4 編譯HDL模型與軟件接口模型 303
10.4.1 編譯HDL模型 303
10.4.2 軟件接口模型設(shè)計(jì) 312
10.4.3 軟件模型的設(shè)計(jì) 316
10.5 單個(gè)SDR硬件平臺(tái)上運(yùn)行發(fā)送和接收測(cè)試 317
10.5.1 硬件設(shè)備連接 317
10.5.2 發(fā)射端與接收端的IP設(shè)置 318
10.5.3 執(zhí)行MATLAB腳本 318
10.5.4 運(yùn)行設(shè)計(jì) 319
10.5.5 可編程邏輯資源利用率 321
10.6 編譯為獨(dú)立的可執(zhí)行文件并運(yùn)行 321
10.6.1 編譯獨(dú)立的可執(zhí)行文件 321
10.6.2 加載設(shè)計(jì)及運(yùn)行可執(zhí)行文件 322
第11章 OFDM無(wú)線傳輸?shù)腟imulink實(shí)現(xiàn) 326
11.1 OFDM的產(chǎn)生背景 326
11.1.1 OFDM技術(shù)的起因 326
11.1.2 OFDM的動(dòng)機(jī) 327
11.2 多載波調(diào)制 330
11.3 OFDM的原理 332
11.3.1 OFDM調(diào)制和解調(diào) 332
11.3.2 循環(huán)前綴 334
11.4 OFDM系統(tǒng)框架 336
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