軟件無線電：無線電工程的現代方法

第1章  軟件無線電概述  1
1.1  對軟件無線電的需求  1
1.2  什么是軟件無線電  2
1.3  軟件無線電的特征和優(yōu)勢  2
1.4  軟件無線電的設計原理  4
1.5  習題  6
第2章  射頻實現問題  8
2.1  射頻前端的用途  8
2.2  動態(tài)范圍：接收機設計的主要挑戰(zhàn)  9
2.3  射頻接收機前端拓撲結構  10
2.3.1  拓撲結構的特性  10
2.3.2  拓撲結構  11
2.4  使用軟件無線電增強射頻鏈路的靈活性  15
2.5  各種組件對整體性能的重要性  17
2.5.1  天線  17
2.5.2  雙工器與同向雙工器  19
2.5.3  射頻濾波器  20
2.5.4  低噪聲放大器  20
2.5.5  鏡像抑制和中頻濾波器  20
2.5.6  射頻混頻器  20
2.5.7  本地振蕩器  21
2.5.8  自動增益控制  21
2.5.9  模數轉換器  24
2.6  發(fā)射機結構及其有關問題  24
2.7  射頻鏈路的噪聲和失真  26
2.7.1  噪聲特性  26
2.7.2  失真特性  28
2.8  模數轉換器與數模轉換器的失真  30
2.9  預矯正  32
2.10  使用微機電系統(tǒng)的靈活性射頻系統(tǒng)  36
2.11  小結  38
2.12  習題  38
第3章  多速率信號處理  40
3.1  引言  40
3.1.1  成本  40
3.1.2  靈活性  41
3.1.3  本章概述  41
3.2  樣本速率轉換原理  41
3.2.1  抽取  42
3.2.2  內插  45
3.2.3  兩個多速率恒等式  55
3.2.4  非整數速率轉換  56
3.2.5  多級抽樣頻率轉換  57
3.2.6  級聯積分梳狀濾波器  62
3.3  多相濾波器  66
3.3.1  多相抽取  66
3.3.2  多相內插  68
3.4  數字濾波器組  71
3.4.1  實現  71
3.4.2  離散傅里葉變換濾波器組  72
3.4.3  多路轉換器  78
3.5  在采用多速率數字濾波器的數字接收機中的定時恢復  81
3.5.1  典型模擬接收機中的定時恢復  81
3.5.2  僅在數字域的定時恢復  82
3.5.3  遲早門同步器  83
3.5.4  采用遲早門原理的定時偏差控制  83
3.6  小結  85
3.7  習題  85
第4章  信號的數字生成  87
4.1  引言  87
4.2  直接數字合成與模擬信號合成的比較  88
4.3  直接數字合成的方法  89
4.3.1  脈沖輸出直接數字合成  90
4.3.2  只讀存儲器查找表方法  91
4.3.3  相位截斷失真  92
4.3.4  輸出序列分析  96
4.4  雜散信號分析  97
4.5  周期抖動引起的雜散分量  99
4.6  帶通信號的生成  100
4.7  直接數字合成系統(tǒng)的性能  101
4.7.1  實驗研究結果  102
4.7.2  混合系統(tǒng)的使用  102
4.8  混合的直接數字合成——鎖相環(huán)系統(tǒng)  102
4.9  直接數字合成的應用  103
4.10  隨機序列的生成  104
4.10.1  序列的種類及其特性  104
4.10.2  采用Wheatley過程隨機化  106
4.11  只讀存儲器壓縮技術  109
4.11.1  采用泰勒級數展開的插值技術  109
4.11.2  采用三角恒等式的插值技術  112
4.12  正弦相位差算法  113
4.13  修正的正弦相位差方法(拋物線逼近)  114
4.14  小結  115
4.15  習題  116
第5章  模數和數模轉換  117
5.1  引言  117
5.2  理想數據轉換器的參數  118
5.2.1  抽樣過程  118
5.2.2  量化  126
5.3  實際數據轉換器的參數  133
5.3.1  一般數據轉換器的物理模型  134
5.3.2  對實際傳遞特性的考慮  135
5.3.3  對動態(tài)范圍的考慮  137
5.3.4  實際的定時問題  142
5.3.5  模擬帶寬  147
5.3.6  功耗  147
5.3.7  噪聲和干擾對動態(tài)范圍需求的影響  149
5.4  改進數據轉換器性能的技術  152
5.4.1  抖動  153
5.4.2  自動增益控制(AGC)  155
5.5  通用模數轉換器和數模轉換器的結構  158
5.5.1  并行結構：閃速模數轉換器、串狀數模轉換器和二元結構  159
5.5.2  分段結構：折疊和內插模數轉換器與分段梯形數模轉換器  161
5.5.3  迭代結構：分區(qū)/流水線/半閃速模數轉換器，逐次逼近型模數轉換器  165
5.5.4  Σ-△結構：模數轉換器和數模轉換器  168
5.6  小結  173
5.7  習題  175
第6章  智能天線  179
6.1  引言  179
6.2  向量信道建模  180
6.2.1  陣列導向向量  181
6.2.2  多徑信道模型  184
6.2.3  多用戶信道模型  187
6.3  智能天線的優(yōu)勢  188
6.3.1  波束形成  188
6.3.2  空時均衡  188
6.3.3  分集  189
6.4  波束形成系統(tǒng)的結構  189
6.4.1  多固定波束天線陣列  190
6.4.2  全自適應陣  191
6.4.3  開關波束和自適應陣系統(tǒng)的相對優(yōu)點和折衷  192
6.5  智能天線的算法  192
6.5.1  分集組合技術  193
6.5.2  使用訓練序列的自適應算法  197
6.5.3  盲算法  200
6.6  分集和空時自適應信號處理  206
6.6.1  接收機空時自適應處理算法  206
6.6.2  超載陣列處理  212
6.7  發(fā)射空時自適應處理算法  213
6.7.1  空時預濾波  213
6.7.2  空時格狀編碼  213
6.7.3  一種簡單的發(fā)射分集方式  215
6.8  智能天線的硬件實現  217
6.8.1  數字波束形成接收機的實現  217
6.8.2  數字波束形成發(fā)射機的實現  218
6.8.3  組件問題  219
6.9  陣列校準  220
6.9.1  遠程發(fā)射機法  220
6.9.2  測音法  221
6.10  弗吉尼亞工學院空時自適應無線電系統(tǒng)的實例研究  222
6.10.1  VT-STAR體系結構概述  222
6.10.2  VT-STAR的射頻設計  223
6.10.3  VT-STAR的軟件問題  226
6.10.4  VT-STAR設計的關鍵問題  228
6.11  小結  230
6.12  習題  230
第7章  數字硬件的選擇  234
7.1  引言  234
7.2  主要的硬件單元  235
7.3  數字信號處理器(DSP)  236
7.3.1  DSP核  236
7.3.2  DSP的體系結構  236
7.3.3  數字表示  240
7.3.4  尋址  242
7.3.5  流水線操作  244
7.3.6  外設和其他組件  245
7.3.7  多處理  246
7.3.8  使用實時操作系統(tǒng)的多處理  247
7.3.9  軟件設計流程  248
7.3.10  性能最大化  249
7.3.11  基準和性能評估  255
7.3.12  實例研究：TMS320C54x 系列數字信號處理器  257
7.4  現場可編程門陣列(FPGA)  257
7.4.1  基于靜態(tài)隨機存儲器的現場可編程門陣列單元的作用  258
7.4.2  在現場可編程門陣列上實現數字信號處理器  259
7.4.3  現場可編程門陣列的結構  259
7.4.4  現場可編程門陣列在軟件無線電系統(tǒng)中的應用  261
7.4.5  使用FPGA的設計原則  263
7.5  對數字信號處理器、現場可編程門陣列和專用集成電路的使用進行折衷  263
7.6  功率管理問題  264
7.6.1  DSP的功率管理  265
7.6.2  低功率超大規(guī)模集成電路的設計  265
7.6.3  體系結構/系統(tǒng)級方法  267
7.7  數字信號處理器、現場可編程門陣列和專用集成電路的混合使用  269
7.8  小結  270
7.9  習題  270
第8章  無線電和網絡資源的面向對象描述  273
8.1  引言  273
8.2  網絡  273
8.2.1  系統(tǒng)層  274
8.2.2  交換  275
8.2.3  服務質量  276
8.2.4  因特網協議(IP)  276
8.2.5  異步傳輸模式(ATM)  280
8.2.6  網絡和軟件無線電系統(tǒng)  281
8.3  面向對象編程  283
8.3.1  對象  284
8.3.2  Java  287
8.3.3  Java和軟件無線電系統(tǒng)  290
8.3.4  無線電虛擬機  290
8.3.5  面向對象軟件和軟件無線電系統(tǒng)  291
8.4  對象代理  292
8.4.1  公共對象請求代理體系結構  293
8.4.2  軟件無線電系統(tǒng)的實現問題  296
8.4.3  對象代理和軟件無線電系統(tǒng)  297
8.5  移動應用環(huán)境  298
8.5.1  MExE  300
8.5.2  業(yè)務發(fā)現  303
8.5.3  移動應用環(huán)境和軟件無線電系統(tǒng)  304
8.5.4  軟件無線電的安全性  304
8.6  聯合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)  305
8.6.1  硬件類  305
8.6.2  軟件通信體系結構的構成  306
8.7  小結  308
8.8  習題  309
第9章  軟件無線電設計的實例研究  310
9.1  引言和歷史觀點  310
9.1.1  軟件無線電系統(tǒng)內在的體系結構特征  311
9.1.2  軟件無線電系統(tǒng)重要的體系結構特征  312
9.1.3  實際軟件無線電系統(tǒng)的體系結構特征  314
9.2  SPEAKeasy  315
9.2.1  SPEAKeasy第1階段  316
9.2.2  SPEAKeasy第2階段  320
9.2.3  SPEAKeasy總結  326
9.3  聯合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)  326
9.3.1  軟件通信體系結構的目標  328
9.3.2  軟件通信體系結構的屬性  328
9.3.3  軟件通信體系結構的詳述  330
9.3.4  聯合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)的總結  335
9.3.5  軟件定義無線電論壇的體系結構詳述  336
9.3.6  小結  341
9.4  無線信息傳輸系統(tǒng)  341
9.4.1  體系結構的目標  343
9.4.2  體系結構概述  343
9.4.3  軟件體系結構  343
9.4.4  硬件體系結構  345
9.4.5  體系結構詳述  345
9.4.6  無線信息傳輸系統(tǒng)總結  348
9.5  SDR-3000數字收發(fā)機子系統(tǒng)  349
9.6  SpectrumWare  352
9.6.1  SpectrumWare系統(tǒng)描述  352
9.6.2  輸入/輸出  352
9.6.3  編程環(huán)境  353
9.6.4  SpectrumWare總結  354
9.7  CHARIOT  355
9.7.1  CHARIOT層次化無線電體系結構  355
9.7.2  層次化無線電體系結構的實現實例  359
9.7.3  CHARIOT總結  360
9.8  小結  360
9.9  習題  362
附錄A  射頻工程的相關文獻：提供給射頻電路設計人員的簡要目錄  363
A.1  電子學  363
A.2  射頻電路設計和S參數  363
A.3  濾波器  363
A.4  微波  364
A.5  振蕩器  364
A.6  鎖相環(huán)和頻率合成器  364
A.7  接收機和系統(tǒng)  364
A.8  PSpice  365
A.9  商業(yè)出版物和期刊  365
A.10  可訪問的網上綜述資料  365
附錄B  坐標旋轉數字計算機算法  366
B.1  引言  366
B.2  CORDIC概述  366
B.3  CORDIC算法的推導  366
B.3.1  沿半徑為R的圓平移一個點  367
B.3.2  通過迭代子旋轉進行旋轉  368
B.3.3  簡化迭代旋轉的計算  368
B.3.4  確定等式的最終形式  369
B.3.5  定向模式  370
B.4  CORDIC算法的性能  370
B.5  CORDIC算法的擴展  371
參考文獻  373
縮略語  387
作者簡介  396