![MIMO-OFDM无线通信基带接收机设计[图书]](http://images.china-pub.com/ebook3770001-3775000/3770291/zcover.jpg)
基本信息
- 原书名：Baseband Receiver Design for Wireless MIMO-OFDM Communications, Second Edition
- 原出版社： Wiley-IEEE Press
- 作者： 阙志达 蔡佩芸 赖以威
- 译者： 杨海芬 李鸣 吴胜龙
- 丛书名： 电子与嵌入式系统设计译丛
- 出版社：机械工业出版社
- ISBN：9787111469483
- 上架时间：2014-6-24
- 出版日期：2014 年6月
- 开本：16开
- 页码：295
- 版次：1-1
- 所属分类：通信 > 无线电和有线电通信联接系统
【插图】
编辑推荐
国内首本针对基带接收机设计的译著，从理论到IC设计全覆盖。
理论和实践相结合。除了接收机系统理论介绍，还涉及C设计的实现案例。
书中采用的案例是作者发表在IEEE国际固态电子电路会议(ISSCC)上的多个研究成果之一。
内容简介
书籍
通信书籍
《电子与嵌入式系统设计译丛：MIMO-OFDM无线通信基带接收机设计》分为三个部分，第一部分回顾背景知识，包括基础的调制方案、MIMO的概念、多址技术、纠错编码、信号传播和信道建模。第二部分首先深入探讨了MIMO-OFDM接收机、同步技术和信道估计中两个基本的信号处理任务，然后，简要介绍一些MIMO技术，包括空间复用、预编码和空间分集。这一部分将提供MIMO-OFDM基带接收机设计中现代信号处理的算法。第三部分涉及硬件设计的相关问题，展示了面向OFDM和MIMO接收机的基本模块和重要组件。最后，本书以一个MIMO-OFDM片上系统的实例结尾，涵盖开发MIMO-OFDM基带接收机的许多主题。
通信书籍
《电子与嵌入式系统设计译丛：MIMO-OFDM无线通信基带接收机设计》分为三个部分，第一部分回顾背景知识，包括基础的调制方案、MIMO的概念、多址技术、纠错编码、信号传播和信道建模。第二部分首先深入探讨了MIMO-OFDM接收机、同步技术和信道估计中两个基本的信号处理任务，然后，简要介绍一些MIMO技术，包括空间复用、预编码和空间分集。这一部分将提供MIMO-OFDM基带接收机设计中现代信号处理的算法。第三部分涉及硬件设计的相关问题，展示了面向OFDM和MIMO接收机的基本模块和重要组件。最后，本书以一个MIMO-OFDM片上系统的实例结尾，涵盖开发MIMO-OFDM基带接收机的许多主题。
作译者
阙志达(Tzi-Dar Chiueh)IEEE院士，台湾大学电机系教授，1983年毕业于台湾大学电机系， 1989年获美国加州理工学院电机学博士学位。主要研究领域为数字通信集成电路设计与生物医学信号处理。2004-2007年任台湾大学电子所所长，曾前往瑞士苏黎世理工学院与美国纽约大学石溪分校访问研究。多次荣获龙腾论文奖、旺宏金硅奖，以及2004-2007年间的杰出研究奖；曾八度荣获台湾大学教学优良奖和2006年度奇景讲座教授；于2009年荣获杰出产业贡献奖。
蔡佩芸(Pei-Yun Tsai)台湾中央大学电机系副教授，毕业于台湾大学电机系，2005年获台湾大学电机博士学位，研究领域为通信数字信号处理与集成电路设计，曾获龙腾论文奖与旺宏金硅奖。
赖以威(I-Wei Lai)博士后研究员，2011年获台湾大学电子所博士学位。曾担任德国RWTH Aachen大学研究助理和台湾大学博士后研究员，主要研究领域为无线通信基带系统硬件、算法开发以及理论系统效能分析，曾获台湾大学电子所最佳博士论文奖。
杨海芬，副教授，博土，从事教学工作前曾供职于中科院微系统与信息技术研究所上海无线通信研究中心，现任电子科技大学Freescale无线通信与嵌入式系统联合实验室副主任。多年来一直从事无线通信系统方面的研究工作，作为负责人或主研人员参与完成多项国家科技攻关、国际合作项目，并承担了本科“通信原理”、硕士研究生“数字通信”等课程的教学工作。
李鸣，南京理工大学工学博士。自2005年起在爱立信(中国)研究院历任射频工程师，系统工程师。主要从事无线接入网中基站系统架构研究与产品研发。拥有数十份无线通信相关专利。
吴胜龙，山东大学电路与系统硕士，曾参与多个 OFDM调制解调芯片的设计与实现。现供职于上海酷芯微电子有限公司，主要研究方向为OFDM基带芯片算法及实现。
蔡佩芸(Pei-Yun Tsai)台湾中央大学电机系副教授，毕业于台湾大学电机系，2005年获台湾大学电机博士学位，研究领域为通信数字信号处理与集成电路设计，曾获龙腾论文奖与旺宏金硅奖。
赖以威(I-Wei Lai)博士后研究员，2011年获台湾大学电子所博士学位。曾担任德国RWTH Aachen大学研究助理和台湾大学博士后研究员，主要研究领域为无线通信基带系统硬件、算法开发以及理论系统效能分析，曾获台湾大学电子所最佳博士论文奖。
杨海芬，副教授，博土，从事教学工作前曾供职于中科院微系统与信息技术研究所上海无线通信研究中心，现任电子科技大学Freescale无线通信与嵌入式系统联合实验室副主任。多年来一直从事无线通信系统方面的研究工作，作为负责人或主研人员参与完成多项国家科技攻关、国际合作项目，并承担了本科“通信原理”、硕士研究生“数字通信”等课程的教学工作。
李鸣，南京理工大学工学博士。自2005年起在爱立信(中国)研究院历任射频工程师，系统工程师。主要从事无线接入网中基站系统架构研究与产品研发。拥有数十份无线通信相关专利。
吴胜龙，山东大学电路与系统硕士，曾参与多个 OFDM调制解调芯片的设计与实现。现供职于上海酷芯微电子有限公司，主要研究方向为OFDM基带芯片算法及实现。
目录
《MIMO-OFDM无线通信基带接收机设计》
译者序
前言
致谢
第一部分 无线通信基础
第1章引言
1.1数字广播系统
1.1.1数字音频广播
1.1.2数字视频广播
1.2移动蜂窝系统
1.2.1载波聚合
1.2.2多天线配置
1.2.3中继传输
1.2.4协作多点传输和接收
1.3无线网络系统
1.3.1个人区域网
1.3.2本地局域网
1.3.3城域网
1.3.4广域网
总结
译者序
前言
致谢
第一部分 无线通信基础
第1章引言
1.1数字广播系统
1.1.1数字音频广播
1.1.2数字视频广播
1.2移动蜂窝系统
1.2.1载波聚合
1.2.2多天线配置
1.2.3中继传输
1.2.4协作多点传输和接收
1.3无线网络系统
1.3.1个人区域网
1.3.2本地局域网
1.3.3城域网
1.3.4广域网
总结
译者序
无线通信技术一直都在不断发展中，而且处于一个前所未有的变革期。新兴的4G空中接口都有一个共同的特点，即基于OFDM(正交频分复用)，用以抗频率选择性衰落。4G需要极高的频谱利用率，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟有限，因此需要引入MIMO。
MIMO利用多天线来抑制信道衰落，也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高频谱利用率。MIMO系统可以在一定程度上利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落。
因此，在OFDM的基础上进一步开发空间资源，也就是MIMOOFDM，可以提供更高的数据传输速率。
了解并清晰MIMOOFDM技术对于研究无线通信领域特别是4G技术方面具有重要的意义。
TziDar Chiueh 等作者在其著作《OFDM Baseband Receiver Design for Wireless Communications》之后，开始MIMO技术的应用和发展，因而在本书中针对MIMO技术如何与OFDM系统相结合，很好地从理论—算法—系统架构—电路设计的叙述方式出发对MIMOOFDM接收机基带设计进行了简洁完整而逻辑清晰的讲解，使得本书在内容和脉络上能够保持完备、清晰并具有一定深度。
根据提出问题—分析问题—解决问题的方式，作者对接收机基带设计中的重点问题和关键技术进行了描述。这对善于思考的读者去理解和消化本书的知识非常有帮助。
此外，本书着重分析了概念的背景和结构，而不局限于通过公式堆砌去推导概念。当然本书并非不重视公式的推导，而是突出重点，用公式为概念而服务。
本书最后描述了MIMOOFDM接收机的硬件实现，对于实际电路和集成电路的设计人员很有帮助，同时对其他读者也有重要的参考价值，在阅读该部分的时候可以思考如何将前面的知识应用于实际中。
相信本书的读者在追寻作者的思维阅读完本书后，再仔细回想整个MIMOOFDM接收机基带设计时，在脑海中将有很清楚的框架，知道为什么这么设计，如何设计。
目前在中文专业书籍领域，很少有这种专注于MIMOOFDM接收机基带设计的专业书籍。很多读者在了解基本的MIMO、OFDM技术的基础知识后，会有这样的疑问：MIMO、OFDM技术如何真正落在具体的实现上。本书可以解答读者这些问题，给读者展现更开阔的视野。本书对于无线通信领域的技术人员或希望了解该领域的读者具有极大的帮助。
在整个翻译过程中，很多人对该书能够尽早出版付出了巨大的努力。感谢原书作者之一的赖以威博士在百忙中抽出时间对本书译稿进行审定。感谢机械工业出版社华章公司张国强编辑的指导和具体协调工作。
由于译者水平有限，翻译中难免有错误或不妥之处，此外也可能偏向于自己的工作经验，真诚希望各位读者在阅读本书时能将发现的错误及时告知，以便更正。
MIMO利用多天线来抑制信道衰落，也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高频谱利用率。MIMO系统可以在一定程度上利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落。
因此，在OFDM的基础上进一步开发空间资源，也就是MIMOOFDM，可以提供更高的数据传输速率。
了解并清晰MIMOOFDM技术对于研究无线通信领域特别是4G技术方面具有重要的意义。
TziDar Chiueh 等作者在其著作《OFDM Baseband Receiver Design for Wireless Communications》之后，开始MIMO技术的应用和发展，因而在本书中针对MIMO技术如何与OFDM系统相结合，很好地从理论—算法—系统架构—电路设计的叙述方式出发对MIMOOFDM接收机基带设计进行了简洁完整而逻辑清晰的讲解，使得本书在内容和脉络上能够保持完备、清晰并具有一定深度。
根据提出问题—分析问题—解决问题的方式，作者对接收机基带设计中的重点问题和关键技术进行了描述。这对善于思考的读者去理解和消化本书的知识非常有帮助。
此外，本书着重分析了概念的背景和结构，而不局限于通过公式堆砌去推导概念。当然本书并非不重视公式的推导，而是突出重点，用公式为概念而服务。
本书最后描述了MIMOOFDM接收机的硬件实现，对于实际电路和集成电路的设计人员很有帮助，同时对其他读者也有重要的参考价值，在阅读该部分的时候可以思考如何将前面的知识应用于实际中。
相信本书的读者在追寻作者的思维阅读完本书后，再仔细回想整个MIMOOFDM接收机基带设计时，在脑海中将有很清楚的框架，知道为什么这么设计，如何设计。
目前在中文专业书籍领域，很少有这种专注于MIMOOFDM接收机基带设计的专业书籍。很多读者在了解基本的MIMO、OFDM技术的基础知识后，会有这样的疑问：MIMO、OFDM技术如何真正落在具体的实现上。本书可以解答读者这些问题，给读者展现更开阔的视野。本书对于无线通信领域的技术人员或希望了解该领域的读者具有极大的帮助。
在整个翻译过程中，很多人对该书能够尽早出版付出了巨大的努力。感谢原书作者之一的赖以威博士在百忙中抽出时间对本书译稿进行审定。感谢机械工业出版社华章公司张国强编辑的指导和具体协调工作。
由于译者水平有限，翻译中难免有错误或不妥之处，此外也可能偏向于自己的工作经验，真诚希望各位读者在阅读本书时能将发现的错误及时告知，以便更正。
前言
正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM)已经成为无线通信系统中最受欢迎的调制技术。为了说明OFDM接收机的设计需求，我们于2007年写了本书的第1版。近年来，无线通信技术取得了迅速发展，尤其是在多输入多输出(MultipleInput MultipleOutput, MIMO)技术领域，这也将无线通信的发展带到了一个新纪元。MIMO技术能够实现高吞吐量、更大的小区覆盖范围和更好的服务质量。然而，MIMO技术使得基带收发机设计的复杂度变得更高。鉴于这些变化，本书第2版的目标在于向读者展示MIMOOFDM系统中的一些重要问题和技术。与第1版一样，本书适合于具有超大规模集成电路设计和信号处理背景的优秀本科生和研究生使用。对于从事无线通信系统算法研究和硬件实现的工程师，本书介绍了一些MIMOOFDM设计技术的综合研究现状这将是很有价值的参考资料。
本书的主题包括MIMOOFDM无线通信系统中的理论、算法、整体架构和电路设计。本书旨在强调公式背后的理念而非数学推导，为了便于对概念的理解，本书同时提供了一些例子。最后3章比较特殊，针对无线MIMOOFDM系统，读者可以学习如何开发面向硬件实现的信号处理算法和如何为无线MIMOOFDM系统设计集成电路。我们通过设计实例来说明这些技术，包括两个MIMO模块，QR分解和软输出球形解码，这些都是至关重要的MIMO模块。最后，本书提供了一个完整片上系统(System on Chip, SoC)的实例，它描述了面向IEEE 802.16e WiMAX 标准的MIMOOFDM基带调制解调器。
本书分为三个部分，第一部分回顾背景知识，包括基础的调制方案、MIMO的概念和多址技术、纠错编码、信号传播和信道建模。第二部分首先深入探讨了MIMOOFDM接收机、同步技术和信道估计中两个基本的信号处理任务，然后简要介绍一些MIMO技术，包括空间复用、预编码和空间分集。这一部分还为读者提供了MIMOOFDM基带接收机设计中现代信号处理的算法。第三部分涉及硬件设计的相关问题，为读者展示了面向OFDM和MIMO接收机的基本模块和重要组件。最后，本书以一个MIMOOFDM片上系统的实例结尾，涵盖开发MIMOOFDM基带接收机的许多问题。下面给出每章内容更为详细的介绍。
第1章介绍几种重要的无线通信标准及其演进过程，包括数字广播系统、移动蜂窝系统、无线数据网络系统。这些系统都采用了OFDM和MIMOOFDM技术，突显了MIMOOFDM技术在无线通信领域的重要性。
第2章讨论数字调制技术，包括单载波调制和多载波调制。传统单载波调制技术是作为多载波OFDM调制技术的前期基础。该章将阐述一些基本的OFDM处理方法，如离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)和逆离散傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT)、保护间隔插入、保护频带预留和频率滤波。OFDM调制信号的高峰均功率比特性也有所说明。最后，本章介绍了自适应OFDM技术，该技术正在渐渐成为一个具有良好前景的提高频谱效率和能效的解决办法。
第3章介绍高级无线技术。首先，该章介绍一些基本MIMO技术的概念及其优势。之后讨论了多址方案，即一种支持大量用户在同一个通信链路通信的机制。此外，该章还介绍了扩展频谱技术，码分多址技术就是从扩频技术中得来的。该章还给出了一些重要的常用码分多址和扩展频谱系统的扩频码。
第4章介绍了数字通信系统中必不可少的纠错编码技术，涵盖了几种主流的纠错编码和解码策略，包括分组码、卷积码和RS码。同时，对属于另一个类别的软输入软输出迭代解码策略也进行了讨论，其中软信息，如比特值的概率或对数似然比(Log Likelihood Ratio, LLR)在每次迭代中被交换和更新。属于此类的两个著名的编码方案：Turbo码和低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)码在高级无线通信系统中发挥重要作用。
如果对信号传播过程中的损耗没有一个全面了解，就不可能进行无线接收机的设计。第5章讨论了传播机制、衰落现象和其他在信道和收发机前端的非理想。经过无线信道后，通信信号将产生路径损耗和阴影效应，这极大地削弱了接收信号的强度。此外，信号还可能存在延迟扩展、多普勒扩散和角度扩散，这使得信号产生具有不同时延、扭曲频谱和入射角度的副本，结果导致了频率选择性、时间选择性和空间选择性。前端电子器件的非理想化在设计无线接收机时也必须考虑在内。振荡器不匹配以及发射机和接收机之间的相对运动也会导致载波频率偏移和采样时钟偏移。上下行转换路径的不匹配分支可能导致I/Q不平衡和直流偏移。具有有限线性范围的功率放大器是另一个导致振幅和相位畸变的因素。在第5章中，会详细地讨论说明上述所有细节。
同步是所有通信系统的关键问题之一（有线和无线的问题类似）。相位同步和载频同步的算法以及单输入单输出(Singleinput Singleoutput, SISO)系统中采样时钟信号和MIMOOFDM接收机是第6章的主要话题。该章首先描述了载波频率偏移、载波相位误差、采样时钟偏移、符号定时偏移和I/Q不平衡对SISO和MIMOOFDM接收信号的影响。然后，对于不同的同步误差，该章给出了几种估计算法并对性能进行了比较。最后介绍了时域和频域补偿方法，它们的优缺点同时可以帮助设计者丰富设计经验，并作出合理的设计决策。
第7章分析了SISO和MIMOOFDM接收机的信道估计问题。当进行信道估计时，接收机通常依赖于参考信号，如前导序列信号和导频信号。因此，信道估计算法可以根据可用的参考信号模型进行分类。同时，为了获得更好的估计结果信道统计和信道功率时延信息也常被使用。尽管OFDM的一个突出优势在于简单但有效的一抽头均衡，但可以进一步提高系统性能的越来越复杂的均衡技术也得到了研究和说明。我们也讨论了OFDM接收机中多抽头均衡器的设计，因为它们可以解决因移动信道或不完美同步引起的载波间干扰问题。
MIMO配置方法有望继续提高传输效率和QoS的通信性能。因此，第8章侧重于MIMO内核技术，即信号检测。我们介绍了不少MIMO检测技术，它们已经用于过去的时分复用方案。具体包括线性检测、连续干扰消除、球形解码等。具有反馈到发射机的完全或者部分信道状态的信息后，MIMO预编码技术可以将复杂的空间通道分解为平行和独立的子信道，从而减轻接收机中信号检测的设计压力。由于最大似然检测方法的正交属性，对于空时分组码这种检测方法是可行且可实现的。
第9章介绍了广泛用于OFDM系统体系结构和电路设计的方法，包括快速傅里叶变换处理器、延迟缓冲器和矩形坐标、极坐标相互转换电路。首先该章介绍了一些基于硬件实现的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)方法，其次给出了一些FFT结构。其中，流水线结构可以以采样率执行FFT，但它需要消耗更多的硬件资源。另外，基于内存的结构是区域有效的，但可能需要更高的时钟频率以及内存寻址方面的复杂控制。延迟缓冲器可以有效地实现移位寄存器或SRAM，这取决于它的长度。最后，本章还介绍了几个直角坐标到极坐标的转换电路，用于相位或幅度是复数的情况。此外，该章末尾介绍了极坐标到直角坐标的转换电路，用于产生正弦波形。
第10章介绍了高吞吐量MIMO检测的两种基本的硬件设计方法。对可以进行信道预处理或线性MIMO检测功能的QR分解模块进行了说明。首先讨论了QR分解的算法复杂度，然后解释了流式坐标旋转算法(Coordinated Rotation Digital Computer, CORDIC)结构的设计理念，这种理念结合了复数Givens和实数Givens旋转。第二个例子是软输出MIMO检测器，它支持从2×2到8×8的天线配置。我们将努力给读者展示以下映射关系，即从新近提出的修改后的基于最佳优先的快速下降(Modified bestfirst with Fast Descent, MBFFD)MIMO检测方法到电路设计理念，包括流水线四双堆(quadDEAP)体系结构和列表枚举方案。通过这两个例子，我们相信读者可以深入理解MIMO检测器的关键设计策略。
本书的最后一章给出了一个完整的MIMOOFDM基带调制解调器片上系统方案，它符合IEEE 802.16e WiMAX标准。基带调制解调器集成了同步、信道估计、MIMO检测、信道解码模块，同时媒体访问控制层硬件/固件展示了贯穿整本书的算法和电路中的应用。
TDChiueh
PYTsai
IWLai
本书的主题包括MIMOOFDM无线通信系统中的理论、算法、整体架构和电路设计。本书旨在强调公式背后的理念而非数学推导，为了便于对概念的理解，本书同时提供了一些例子。最后3章比较特殊，针对无线MIMOOFDM系统，读者可以学习如何开发面向硬件实现的信号处理算法和如何为无线MIMOOFDM系统设计集成电路。我们通过设计实例来说明这些技术，包括两个MIMO模块，QR分解和软输出球形解码，这些都是至关重要的MIMO模块。最后，本书提供了一个完整片上系统(System on Chip, SoC)的实例，它描述了面向IEEE 802.16e WiMAX 标准的MIMOOFDM基带调制解调器。
本书分为三个部分，第一部分回顾背景知识，包括基础的调制方案、MIMO的概念和多址技术、纠错编码、信号传播和信道建模。第二部分首先深入探讨了MIMOOFDM接收机、同步技术和信道估计中两个基本的信号处理任务，然后简要介绍一些MIMO技术，包括空间复用、预编码和空间分集。这一部分还为读者提供了MIMOOFDM基带接收机设计中现代信号处理的算法。第三部分涉及硬件设计的相关问题，为读者展示了面向OFDM和MIMO接收机的基本模块和重要组件。最后，本书以一个MIMOOFDM片上系统的实例结尾，涵盖开发MIMOOFDM基带接收机的许多问题。下面给出每章内容更为详细的介绍。
第1章介绍几种重要的无线通信标准及其演进过程，包括数字广播系统、移动蜂窝系统、无线数据网络系统。这些系统都采用了OFDM和MIMOOFDM技术，突显了MIMOOFDM技术在无线通信领域的重要性。
第2章讨论数字调制技术，包括单载波调制和多载波调制。传统单载波调制技术是作为多载波OFDM调制技术的前期基础。该章将阐述一些基本的OFDM处理方法，如离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)和逆离散傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT)、保护间隔插入、保护频带预留和频率滤波。OFDM调制信号的高峰均功率比特性也有所说明。最后，本章介绍了自适应OFDM技术，该技术正在渐渐成为一个具有良好前景的提高频谱效率和能效的解决办法。
第3章介绍高级无线技术。首先，该章介绍一些基本MIMO技术的概念及其优势。之后讨论了多址方案，即一种支持大量用户在同一个通信链路通信的机制。此外，该章还介绍了扩展频谱技术，码分多址技术就是从扩频技术中得来的。该章还给出了一些重要的常用码分多址和扩展频谱系统的扩频码。
第4章介绍了数字通信系统中必不可少的纠错编码技术，涵盖了几种主流的纠错编码和解码策略，包括分组码、卷积码和RS码。同时，对属于另一个类别的软输入软输出迭代解码策略也进行了讨论，其中软信息，如比特值的概率或对数似然比(Log Likelihood Ratio, LLR)在每次迭代中被交换和更新。属于此类的两个著名的编码方案：Turbo码和低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)码在高级无线通信系统中发挥重要作用。
如果对信号传播过程中的损耗没有一个全面了解，就不可能进行无线接收机的设计。第5章讨论了传播机制、衰落现象和其他在信道和收发机前端的非理想。经过无线信道后，通信信号将产生路径损耗和阴影效应，这极大地削弱了接收信号的强度。此外，信号还可能存在延迟扩展、多普勒扩散和角度扩散，这使得信号产生具有不同时延、扭曲频谱和入射角度的副本，结果导致了频率选择性、时间选择性和空间选择性。前端电子器件的非理想化在设计无线接收机时也必须考虑在内。振荡器不匹配以及发射机和接收机之间的相对运动也会导致载波频率偏移和采样时钟偏移。上下行转换路径的不匹配分支可能导致I/Q不平衡和直流偏移。具有有限线性范围的功率放大器是另一个导致振幅和相位畸变的因素。在第5章中，会详细地讨论说明上述所有细节。
同步是所有通信系统的关键问题之一（有线和无线的问题类似）。相位同步和载频同步的算法以及单输入单输出(Singleinput Singleoutput, SISO)系统中采样时钟信号和MIMOOFDM接收机是第6章的主要话题。该章首先描述了载波频率偏移、载波相位误差、采样时钟偏移、符号定时偏移和I/Q不平衡对SISO和MIMOOFDM接收信号的影响。然后，对于不同的同步误差，该章给出了几种估计算法并对性能进行了比较。最后介绍了时域和频域补偿方法，它们的优缺点同时可以帮助设计者丰富设计经验，并作出合理的设计决策。
第7章分析了SISO和MIMOOFDM接收机的信道估计问题。当进行信道估计时，接收机通常依赖于参考信号，如前导序列信号和导频信号。因此，信道估计算法可以根据可用的参考信号模型进行分类。同时，为了获得更好的估计结果信道统计和信道功率时延信息也常被使用。尽管OFDM的一个突出优势在于简单但有效的一抽头均衡，但可以进一步提高系统性能的越来越复杂的均衡技术也得到了研究和说明。我们也讨论了OFDM接收机中多抽头均衡器的设计，因为它们可以解决因移动信道或不完美同步引起的载波间干扰问题。
MIMO配置方法有望继续提高传输效率和QoS的通信性能。因此，第8章侧重于MIMO内核技术，即信号检测。我们介绍了不少MIMO检测技术，它们已经用于过去的时分复用方案。具体包括线性检测、连续干扰消除、球形解码等。具有反馈到发射机的完全或者部分信道状态的信息后，MIMO预编码技术可以将复杂的空间通道分解为平行和独立的子信道，从而减轻接收机中信号检测的设计压力。由于最大似然检测方法的正交属性，对于空时分组码这种检测方法是可行且可实现的。
第9章介绍了广泛用于OFDM系统体系结构和电路设计的方法，包括快速傅里叶变换处理器、延迟缓冲器和矩形坐标、极坐标相互转换电路。首先该章介绍了一些基于硬件实现的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)方法，其次给出了一些FFT结构。其中，流水线结构可以以采样率执行FFT，但它需要消耗更多的硬件资源。另外，基于内存的结构是区域有效的，但可能需要更高的时钟频率以及内存寻址方面的复杂控制。延迟缓冲器可以有效地实现移位寄存器或SRAM，这取决于它的长度。最后，本章还介绍了几个直角坐标到极坐标的转换电路，用于相位或幅度是复数的情况。此外，该章末尾介绍了极坐标到直角坐标的转换电路，用于产生正弦波形。
第10章介绍了高吞吐量MIMO检测的两种基本的硬件设计方法。对可以进行信道预处理或线性MIMO检测功能的QR分解模块进行了说明。首先讨论了QR分解的算法复杂度，然后解释了流式坐标旋转算法(Coordinated Rotation Digital Computer, CORDIC)结构的设计理念，这种理念结合了复数Givens和实数Givens旋转。第二个例子是软输出MIMO检测器，它支持从2×2到8×8的天线配置。我们将努力给读者展示以下映射关系，即从新近提出的修改后的基于最佳优先的快速下降(Modified bestfirst with Fast Descent, MBFFD)MIMO检测方法到电路设计理念，包括流水线四双堆(quadDEAP)体系结构和列表枚举方案。通过这两个例子，我们相信读者可以深入理解MIMO检测器的关键设计策略。
本书的最后一章给出了一个完整的MIMOOFDM基带调制解调器片上系统方案，它符合IEEE 802.16e WiMAX标准。基带调制解调器集成了同步、信道估计、MIMO检测、信道解码模块，同时媒体访问控制层硬件/固件展示了贯穿整本书的算法和电路中的应用。
TDChiueh
PYTsai
IWLai
书摘
第1章
引言
无论是已经存在的还是正在发展的无线通信标准，均已经采用或考虑采用正交频分复用（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing， OFDM）与多输入多输出（MultipleInput MultipleOutput， MIMO）技术结合作为无线传输方案。很明显，MIMOOFDM毫无疑问地成为现在和将来无线通信系统的传输方案。
追求更好的生活方式促进了人类文明的进步。提供适用于任何时间与地点的通信服务使得人们从固定设备的限制中解放出来。如今，我们应该感谢无线技术的飞速发展，是它让每个人都可以享用无线通信带来的便利。无论何时、何地，移动电话都与人们形影不离。数字音频和视频广播为消费者提供高分辨率、品质更好以及可以交互的节目。通信设备现在变得小、轻、薄而且价格便宜。正值本书出版之际，可以运行多媒体和宽带应用程序的智能手机已经在消费者中开始流行，占据了全球手机销售的大部分份额。正如图1.1所示，数字基带收发机是这些智能电话的基本组成。
一些研究未来无线网络的项目正在进行，它们涉及各个领域，这将使得无线通信接入到任何地方的因特网骨干网络，无论是室内或室外、乡村或城市。接下来本书将会介绍这些项目的演化和未来的发展，我们会发现MIMO和OFDM技术在无线通信系统中的本质角色将会变得非常清晰。
图1.1类似智能电话设备的系统框图
1.1数字广播系统
在20世纪，通过音频和视频广播，大多数人满足了他们对信息和娱乐的需求。调幅广播的推广可以追溯到20世纪初期；第二次世界大战以前，模拟电视节目第一次被播送。20世纪中期，调频广播节目开始广泛使用。这些基于模拟通信的技术为人们日常生活增添了很多色彩，包括新闻、音乐、戏剧、电影等。在过去几年里，为了提供更多更好的节目，数字广播技术开始取代模拟广播技术，例如数字音频广播（Digital Audio Broadcasting， DAB）和数字视频广播（Digital Video Broadcasting， DVB）。
1.1.1数字音频广播
数字音频广播系统（DAB）是使用OFDM技术的第一个标准之一。DAB项目始于20世纪80年代中期［1］。基于OFDM技术，DAB有一个明显的优势：它是一个单频网络（SingleFrequency Network， SFN）。在单频广播网络中，一个载波可以用于所有的发射机，为整个国家播送同一广播节目而不会遭受同频干扰。另外，在调频系统中，只有约1/15的可用频谱得到使用，这导致了非常低效的频谱重用因数。图1.2说明了单频网络与多频网络。
图1.2单频网络与多频网络
在数字音频广播系统中，不必像调幅/调频收音机那样搜索电台。所有电台节目都被集成在多路复用器中。多路复用器节约了多个独立电台的维护费用。此外，可以为每个节目分配不同的带宽，以满足他们对声音质量的不同要求。音乐电台多路复用器可以按最高质量192Kbps的速率发送数据，而单声道的演讲、新闻类节目可能仅需要80Kbps。由于OFDM技术的使用，数字音频广播系统能提供更好的移动接收质量。2007年，升级的DAB+标准被公布，它采用一种有效的音频压缩方法和强大的码元纠错能力，使其具有更强的富音频内容的传输健壮性。
1.1.2数字视频广播
数字视频广播是数字电视广播的欧洲标准［2］。各种DVB标准包括：用于卫星的DVBS，用于电缆的DVBC，用于陆地传输的DVBT以及用于低功耗手持终端的DVBH。上述标准中，DVBT和DVBH利用OFDM作为调制方案。DVBT接收机在上个世纪90年代才开始投入使用，现在许多国家都使用DVBT节目。与DAB系统一样，DVBT/H技术也支持全国范围内的单频网络。此外，DVBT/H标准提供几种运营模式，用于大范围覆盖的单频网络和高速移动的无线接收。DVBT的成功部署经验和在无线通信领域的持续发展激发了视频服务领域的升级需求。2008年，第二代数字陆地电视标准——DVBT2被批准。DVBT2目标在于提高频谱效率，这样就可以增强系统容量和覆盖范围。第二代系统的主要特征包括：高阶调制技术（256QAM）、改进的前向纠错码技术、多输入单输出技术。DVBT2系统可以达到30%~65%的容量提升。
DVBT的基本数字流是MPEG2传送流，它可以包括一个或多个节目流。每个子流将压缩的视频、音频和数据信号进行多路传输。DVBT标准可以支持满足MPEG2的高清电视数据速率，即在一个8MHz信道中速率接近31Mbps。作为移动通信网络的增强，DVBH提供高速移动IP服务。DVBT2系统中的传送流被分为一个或多个逻辑数据流，运载于物理层通道（Physical Layer Pipe， PLP）。它可以支持多个物理层通道，根据要求的服务健壮性，每个通道具有唯一的调制模式。此外，DVB标准允许集成使用其他接入技术的双向数据连接，这就使得电视观众和电视台的交互应用成为可能。
1.2移动蜂窝系统
移动电话如今已经变成全球几十亿人的必需品。它们的功能涵盖了各个方面：从语音服务到图片、视频和宽带数据服务。图1.3展示了移动蜂窝通信系统第二代、第三代、第四代的变迁过程。在第二代系统中，全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications， GSM）作为欧洲标准使用，CDMAOne IS95则被北美地区采用。它们都可以提供大约10Kbps速率的数字话音服务。另外，通用分组无线业务（General Packet Radio Service， GPRS）和增强型全球数据发展速率（Enhanced Data rate for Global Evolution， EDGE）作为GSM标准的增强，它们可以提供接近几百Kbps的传输速率。同样地，北美地区的CDMA2000 1X升级后的数据传输速率在150Kbps左右。
图1.3主流移动蜂窝通信系统的演进
在3G标准中，要求提供多媒体应用和数据传输服务。第三代合作伙伴计划2（The Third Generation Partnership Project 2， 3GPP2）推出两种演化方向：即CDMA2000 1X EVDV，拥有峰值数据速率2.4Mbps和1X EVDV，允许传输速率为2~5Mbps；其中DO代表“仅数据”，DV表示“数据和话音”。EVDO B版本采用多载波技术，并且可以聚合最多3个载波，这样可以提供3倍的容量。通过不同蜂窝业务负载的不均衡性，DO的成功发展使得网络性能得到最大化利用。它使用了一些智能网络技术，包括网络负载均衡、需求匹配配置和高效的全网资源分布式网络调度。这样，预期峰值数据速率可达32Mbps［3］。
在欧洲，WCDMA在5MHz带宽中提供2Mbps的数据速率。WCDMA的增强版本已经被第三代合作伙伴计划（The Third Generation Partnership Project， 3GPP）作为高速下行链路分组接入（High Speed Downlink Packet Access， HSDPA）版本5的标准；它被称为3.5G，可以达到约14.4Mbps的传输速率。它的第二阶段叫做HSPA演进（HSPA+），通过使用64QAM和天线阵列配置，其峰值速率可以提高到42.2Mbps。它的下一个阶段叫做DC HSDPA w/MIMO，2009年作为版本9被批准，其中DC表示双小区，即使用两个5MHz带宽进行传输。此外，MIMO技术也包含其中，这样数据速率可以翻倍到84.4Mbps。
引言
无论是已经存在的还是正在发展的无线通信标准，均已经采用或考虑采用正交频分复用（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing， OFDM）与多输入多输出（MultipleInput MultipleOutput， MIMO）技术结合作为无线传输方案。很明显，MIMOOFDM毫无疑问地成为现在和将来无线通信系统的传输方案。
追求更好的生活方式促进了人类文明的进步。提供适用于任何时间与地点的通信服务使得人们从固定设备的限制中解放出来。如今，我们应该感谢无线技术的飞速发展，是它让每个人都可以享用无线通信带来的便利。无论何时、何地，移动电话都与人们形影不离。数字音频和视频广播为消费者提供高分辨率、品质更好以及可以交互的节目。通信设备现在变得小、轻、薄而且价格便宜。正值本书出版之际，可以运行多媒体和宽带应用程序的智能手机已经在消费者中开始流行，占据了全球手机销售的大部分份额。正如图1.1所示，数字基带收发机是这些智能电话的基本组成。
一些研究未来无线网络的项目正在进行，它们涉及各个领域，这将使得无线通信接入到任何地方的因特网骨干网络，无论是室内或室外、乡村或城市。接下来本书将会介绍这些项目的演化和未来的发展，我们会发现MIMO和OFDM技术在无线通信系统中的本质角色将会变得非常清晰。
图1.1类似智能电话设备的系统框图
1.1数字广播系统
在20世纪，通过音频和视频广播，大多数人满足了他们对信息和娱乐的需求。调幅广播的推广可以追溯到20世纪初期；第二次世界大战以前，模拟电视节目第一次被播送。20世纪中期，调频广播节目开始广泛使用。这些基于模拟通信的技术为人们日常生活增添了很多色彩，包括新闻、音乐、戏剧、电影等。在过去几年里，为了提供更多更好的节目，数字广播技术开始取代模拟广播技术，例如数字音频广播（Digital Audio Broadcasting， DAB）和数字视频广播（Digital Video Broadcasting， DVB）。
1.1.1数字音频广播
数字音频广播系统（DAB）是使用OFDM技术的第一个标准之一。DAB项目始于20世纪80年代中期［1］。基于OFDM技术，DAB有一个明显的优势：它是一个单频网络（SingleFrequency Network， SFN）。在单频广播网络中，一个载波可以用于所有的发射机，为整个国家播送同一广播节目而不会遭受同频干扰。另外，在调频系统中，只有约1/15的可用频谱得到使用，这导致了非常低效的频谱重用因数。图1.2说明了单频网络与多频网络。
图1.2单频网络与多频网络
在数字音频广播系统中，不必像调幅/调频收音机那样搜索电台。所有电台节目都被集成在多路复用器中。多路复用器节约了多个独立电台的维护费用。此外，可以为每个节目分配不同的带宽，以满足他们对声音质量的不同要求。音乐电台多路复用器可以按最高质量192Kbps的速率发送数据，而单声道的演讲、新闻类节目可能仅需要80Kbps。由于OFDM技术的使用，数字音频广播系统能提供更好的移动接收质量。2007年，升级的DAB+标准被公布，它采用一种有效的音频压缩方法和强大的码元纠错能力，使其具有更强的富音频内容的传输健壮性。
1.1.2数字视频广播
数字视频广播是数字电视广播的欧洲标准［2］。各种DVB标准包括：用于卫星的DVBS，用于电缆的DVBC，用于陆地传输的DVBT以及用于低功耗手持终端的DVBH。上述标准中，DVBT和DVBH利用OFDM作为调制方案。DVBT接收机在上个世纪90年代才开始投入使用，现在许多国家都使用DVBT节目。与DAB系统一样，DVBT/H技术也支持全国范围内的单频网络。此外，DVBT/H标准提供几种运营模式，用于大范围覆盖的单频网络和高速移动的无线接收。DVBT的成功部署经验和在无线通信领域的持续发展激发了视频服务领域的升级需求。2008年，第二代数字陆地电视标准——DVBT2被批准。DVBT2目标在于提高频谱效率，这样就可以增强系统容量和覆盖范围。第二代系统的主要特征包括：高阶调制技术（256QAM）、改进的前向纠错码技术、多输入单输出技术。DVBT2系统可以达到30%~65%的容量提升。
DVBT的基本数字流是MPEG2传送流，它可以包括一个或多个节目流。每个子流将压缩的视频、音频和数据信号进行多路传输。DVBT标准可以支持满足MPEG2的高清电视数据速率，即在一个8MHz信道中速率接近31Mbps。作为移动通信网络的增强，DVBH提供高速移动IP服务。DVBT2系统中的传送流被分为一个或多个逻辑数据流，运载于物理层通道（Physical Layer Pipe， PLP）。它可以支持多个物理层通道，根据要求的服务健壮性，每个通道具有唯一的调制模式。此外，DVB标准允许集成使用其他接入技术的双向数据连接，这就使得电视观众和电视台的交互应用成为可能。
1.2移动蜂窝系统
移动电话如今已经变成全球几十亿人的必需品。它们的功能涵盖了各个方面：从语音服务到图片、视频和宽带数据服务。图1.3展示了移动蜂窝通信系统第二代、第三代、第四代的变迁过程。在第二代系统中，全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications， GSM）作为欧洲标准使用，CDMAOne IS95则被北美地区采用。它们都可以提供大约10Kbps速率的数字话音服务。另外，通用分组无线业务（General Packet Radio Service， GPRS）和增强型全球数据发展速率（Enhanced Data rate for Global Evolution， EDGE）作为GSM标准的增强，它们可以提供接近几百Kbps的传输速率。同样地，北美地区的CDMA2000 1X升级后的数据传输速率在150Kbps左右。
图1.3主流移动蜂窝通信系统的演进
在3G标准中，要求提供多媒体应用和数据传输服务。第三代合作伙伴计划2（The Third Generation Partnership Project 2， 3GPP2）推出两种演化方向：即CDMA2000 1X EVDV，拥有峰值数据速率2.4Mbps和1X EVDV，允许传输速率为2~5Mbps；其中DO代表“仅数据”，DV表示“数据和话音”。EVDO B版本采用多载波技术，并且可以聚合最多3个载波，这样可以提供3倍的容量。通过不同蜂窝业务负载的不均衡性，DO的成功发展使得网络性能得到最大化利用。它使用了一些智能网络技术，包括网络负载均衡、需求匹配配置和高效的全网资源分布式网络调度。这样，预期峰值数据速率可达32Mbps［3］。
在欧洲，WCDMA在5MHz带宽中提供2Mbps的数据速率。WCDMA的增强版本已经被第三代合作伙伴计划（The Third Generation Partnership Project， 3GPP）作为高速下行链路分组接入（High Speed Downlink Packet Access， HSDPA）版本5的标准；它被称为3.5G，可以达到约14.4Mbps的传输速率。它的第二阶段叫做HSPA演进（HSPA+），通过使用64QAM和天线阵列配置，其峰值速率可以提高到42.2Mbps。它的下一个阶段叫做DC HSDPA w/MIMO，2009年作为版本9被批准，其中DC表示双小区，即使用两个5MHz带宽进行传输。此外，MIMO技术也包含其中，这样数据速率可以翻倍到84.4Mbps。
