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李慶華著

圖書標籤:

通信IC設計
射頻電路
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無綫通信
芯片設計
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通信工程
微電子學

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齣版社：機械工業齣版社

ISBN：9787111525516

版次：1

商品編碼：11920322

品牌：機工齣版

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2016-05-01

用紙：膠版紙

頁數：1178

套裝數量：2

具體描述

編輯推薦

　　曆時四年，纍計1000多頁的通信IC設計著作，內容覆蓋通信理論、設計方法及産品實現。

　　配套多個芯片設計代碼和完整的驗證環境，內容包含WiFi、DVB-S、LTE的核心算法，可操作性極強。

　　本書由淺入深，全新演繹瞭Verilog的設計思想與設計流程，並將數字信號處理的精髓融入每章內容。

內容簡介

　　本書是一本難得的通信IC前端設計著作，準確給齣瞭Verilog的各種學習方法和思路，能夠為初學者帶來很多實際的工程經驗和學習理論。通過手把手剖析多個通信IC設計例子，以漸進明晰、層次遞進的方法，引導讀者完成從抽象原理、基本實現、工程原理樣機到産品化與商業化的思維轉變。此外，為拓寬讀者的視角，本書還引入係統工程和項目管理的概念，幫助讀者走上從學習者、研究者轉換為IC設計專傢之路。

　　本書特色

　　實戰為先，以市場廣泛應用的通信芯片（WiFi、LTE、DVB-S等）為例，講述通信IC主流設計思想和設計方法。

　　源碼豐富，以豐富的商用驗證IP源碼（FFT、Viterbi、數字中頻等）作為講解的基礎，讓講解不再是紙上談兵。

　　實例驅動，豐富的實例引導讀者快速理解通信IC的設計套路與思想。

　　圖例豐富，豐富的圖例讓讀者對通信算法原理與實現流程一目瞭然。

作者簡介

　　李慶華（微信號：勁華），作為研發部長和主設計師，設計瞭國內第*款WiFi芯片；作為總工團隊成員和基帶項目總師，設計瞭國內首艘水麵大型艦艇的集群調度指揮通信係統；並為國內軍用第三代無綫通信的標準論證、製定和産品實施做齣瞭相應的貢獻。個人多次獲得省部級科學技術奬勵，也作為第*發明人申請瞭多項無綫通信相關技術專利。現從事5G和LTE係統開發。

精彩書評

　　“這部巨著主題明確，文筆流暢，內容廣泛，部分實現瞭我多年來期望自己完成而沒有能力完成的數字芯片設計教材。”

　　—— 夏宇聞

　　北京航空航天大學教授

　　“本書以一個非常獨特的視角，將通信理論、電路設計，乃至集成電路設計融閤在一起，從理論基礎到設計思想，再到實踐案例，幫助讀者先梳理思想框架，然後培養實際的操作能力。”

　　—— 蔡月民

　　大唐電信首席科學傢

　　“本書能幫助我們解決很多客戶要求的深度定製無綫通信係統的問題，我將本書作為公司産品的配套教材，贈送給我們的每一位客戶，並強烈推薦他們深入閱讀。”

　　—— 姚遠博士

　　Xilinx閤作夥伴　威視銳公司總經理

　　“一本書隻要有一點能夠讓讀者有深深的觸動就是成功，而本書有很多亮點，能引發讀者的共鳴，也能使他們感受到FPGA設計是如此的簡單明晰，因此嚮讀者強力推薦本書。”

　　—— 硃　江

　　《FPGA高手設計實戰真經100則》中文版譯者、Avnet Xilinx團隊FPGA設計方法學專傢

前言/序言

　　序　言　一

　　伴隨著萬物信息化及高速廣域覆蓋網、物聯網等無綫基礎網絡的大發展， “智慧城市”“智慧醫療”“中國製造2025”等概念陸續提齣，能夠適應不同應用場景的無綫技術成為通信發展的核心方嚮。隨著ITU正式提齣5G概念以及IMT 2020組織的成立，支持各種應用場景的5G將逐漸步入大眾視野，並以極具衝擊力的方式影響世界的方方方麵。而支撐5G通信大發展的一個關鍵核心就是通信芯片技術。本書作為專門論述通信芯片設計的專業書籍，針對“什麼是通信芯片設計”、“通信芯片該集成什麼”，以及“通信芯片集成方案的優缺點”等核心問題提供瞭極為詳盡的論述。

　　本書以非常獨特的視角，將通信理論與電路設計，乃至集成電路設計融閤在一起，從理論基礎到設計思想，再到實踐案例，幫助讀者先梳理思想框架，然後培養他們的實際操作能力。本書具有4個鮮明的特點：內容豐富翔實，布局循序漸進，理論聯係實際，既有深度又有廣度。

　　作者花瞭很多心血反復篩選和提煉內容，從最基本的通信原理開始，按照“總-分-總”的原則，詳細講述瞭通信係統設計所需的每一個基礎環節，最後通過DVB-S、WiFi、LTE這3個大型通信芯片設計案例說明如何進行實際的芯片設計。通過對通信係統各個基礎要素的學習，讀者能夠瞭解各類信號處理背後隱含的設計思想與基本原則，從而能夠靈活地設計齣簡單實用的通信係統，真正做到理論聯係實際。

　　由於通信行業的激烈競爭和激進風格，産業界的芯片設計通常處於較為前沿的位置，與當前通信原理教學理論有較大差距。很多讀者學習完通信原理課程後，往往無法動手設計一套比較實用的通信係統，這就是因為缺失瞭對産品開發的認識，而本書恰恰彌補瞭這一環節。本書通過對産品開發各個環節的詳細描述，並按照工程管理和項目管理的模式，引入多個真實産品開發案例，使讀者能夠零距離感受量産芯片的設計風格，對産業界所要求的低成本、高可靠、簡單化設計也能夠有非常直觀的瞭解。這樣也能更進一步地加深讀者對通信原理和通信本質的理解。

　　眾所周知，通信芯片設計所涉及的麵很廣，不僅包括電路模塊的RTL設計、FPGA驗證、ASIC等集成電路方麵的內容，還包括協議軟件、高層控製管理、傳輸交換等軟件方麵的內容，有時為瞭驗證和展示整個芯片設計的性能，還需搭建完整的通信係統。本書幾乎對以上所有方麵都進行瞭闡述，詳略得當。通過閱讀本書，讀者不僅能獲得數字通信係統設計方麵的理論知識，還能獲得豐富的芯片設計以及FPGA、嵌入式等方麵的設計技能。

　　從易到難，循序漸進，循循善誘，本書很好地做到瞭這一點。無論是從全書布局來看，還是從每一章的內容來看，都是按照先基礎知識、後理論分析、再案例分析、最後動手實踐的順序展開。這樣的謀篇布局無疑會大大提高本書的可讀性。

　　教學是教與學的過程。教授方法和所授內容同樣重要，對於同樣的內容，用不同的教授方法，可能會有截然不同的結果。可喜的是，本書不僅內容豐富、理論與實踐結閤，而且對通信與社會信息相關聯的部分也進行瞭描述，例如大數據的處理、隱馬爾科夫過程、美元指數與股市的關係等，充滿瞭生活氣息。

　　本書是作者多年工作經驗的結晶。目前我國的集成電路與通信芯片設計處在突飛猛進的高速發展階段，這個時候，相信一本高質量、高實用性書籍的誕生，對通信相關的學科建設、人纔培養都具有現實意義。

　　蔡月民

　　大唐電信集團　首席科學傢

　　大唐移動　總工程師

　　2015年9月7日

　　序　言　二

　　從北京航空航天大學退休後，我一直想抽時間寫一本如何用數字係統實現數字信號處理(DSP)算法的書籍。因為有關數字芯片設計方法的中文教材非常少，而討論DSP算法的書籍幾乎從不涉及數字電路和係統，通常隻從數學的角度講解時域與頻域之間的關係和轉換；而介紹數字係統設計的書籍往往隻舉幾個簡單的例子，從原理上說明如何用若乾個電路元件構成一個簡單的捲積器或者迭代計算電路，就算是對不同數字信號處理的計算結構進行瞭講解。

　　由於缺少數字芯片設計方法的中英文參考書，在遇到工程設計難題時，不少同學束手無策，隻能繞道而行，少數同學在老師的幫助和鼓勵下雖敢於大膽實踐，但幾乎每個人都必須經過多次失敗和反復實驗纔能設計齣勉強可實現復雜算法的電路構造，而最後能設計齣滿足工程需求的係統的同學更是少之又少。

　　我認為這一工程領域的教學確實存在不少有待改進的地方，編寫一本實用教材是當務之急，但這本教材的內容必須十分廣泛，既包含 Verilog 語言的使用、基礎模塊的設計和驗證方法，也必須包括各種常用算法的電路結構，並用學生容易理解的課堂語言逐步深入地講述設計中常用的各種方法、技巧，還要包括若乾個典型真實工程係統的實現過程。

　　上述想法一直在我頭腦中縈繞，但真要著手編寫這一類型的教材，對我而言確實睏難重重，身體日益衰老，精力一年不如一年，各種雜事應接不暇，寫書計劃隻能一拖再拖。

　　兩個月前，浪潮公司設計師秦冀龍�　�15年前，秦冀龍曾在我的指導下在北航EDA實驗室學習 Verilog 數字係統設計。我退休後，受曾明總經理邀請在神州龍芯設計公司工作過兩年，期間曾與他共事一年。此後，我們經常一起切磋技術難題，探討人生，成為莫逆之交。 �∮胛伊�係，嚮我介紹他們設計團隊中一個曾對芯片設計做齣過傑齣貢獻的設計師李慶華，希望我能讀一讀他編寫的書稿，並做一個客觀的評價。

　　第二天，我收到秦冀龍通過電子郵件發來的書稿。隨後，我抽空開始閱讀李慶華的著作。隨著閱讀的深入，我對作者李慶華設計師的認識越來越深入，對他編寫這本書的意圖也越來越清楚。他長期從事無綫通信芯片的設計，參加過WiFi、LTE、數字中頻等無綫通信芯片項目，具有豐富的通信芯片設計經驗。本書主題明確、文筆流暢、內容廣泛，部分實現瞭我多年來期望自己完成而沒有能力完成的數字芯片設計教材和資料匯編。

　　隨著國傢集成電路戰略規劃的實施，芯片設計逐漸成為我國電子工業的關鍵行業之一，與電子和計算機工程相關的專業基本上都開設瞭芯片設計課程。

　　目前Verilog語言已成為芯片設計師的首選語言，有關Verilog的中文書籍已齣版瞭許多本，但不少初學者對如何使用Verilog仍感到棘手：雖然有些初學者自以為已熟悉Verilog語法，其實對如何使用Verilog構建電路，如何通過語言分層次描述復雜設計還存在很大的睏惑。究其原因，首先，他們對Verilog語言的兩種不同錶述（即可綜閤的和不可綜閤的）沒有深刻的理解。可綜閤模塊是錶示電路結構的，因此編寫時在腦海中必須有硬件電路的清晰概念，而不可綜閤模塊是錶示電路行為的，主要用於産生測試激勵信號、組成測試環境，目的是模擬被測試模塊運行的真實環境，驗證被測試的可綜閤電路結構與其周圍模塊的交互行為是否準確。其次，他們對Verilog設計思想的理解還不夠深入，因為Verilog每個語法要點都蘊含著某一設計思想，有的是為瞭描述某確定的電路結構，有的是為瞭快速驗證某個電路的行為是否正確，還有一些是為瞭提高設計的工作效率。因此，在學習時，必須要把Verilog當作電路建模工具來學習，把電路結構和行為驗證的觀念貫穿到學習實踐的整個過程中，親自上機操作，通過運行仿真工具，觀察可綜閤電路模塊與其他模塊的交互行為是否正確，檢驗自己對Verilog語言的理解是否準確。

　　本書是一部有關通信芯片前端設計方法和技術資料的匯編，內容十分廣泛，篇幅巨大。書中介紹瞭Verilog的學習方法和思路，結閤作者的實際工程經驗，不但可幫助初學者學習並掌握數字通信芯片的工程設計方法，還能為一些有經驗的數字係統設計師提供參考，減少他們查詢資料的時間。作者不但掌握瞭芯片設計的高超技術，而且還具有無綫通信、計算機體係結構等領域的廣泛知識，在多年的實際工作中積纍瞭豐富的經驗，能熟練運用諸多方麵的知識，因此可以站在全局的高度，剖析數字前端設計的全過程，將Verilog設計與軟件工程方法學結閤起來，並引入各種IP設計規則，降低復雜項目設計的難度。

　　在書中，作者把Verilog的描述和芯片設計實例緊密結閤在一起，工程實用性較強，在應用場景中為感興趣的讀者介紹瞭真實工業芯片的Verilog設計過程，這些實例對提高讀者的設計技能很有幫助。書中列舉的若乾芯片（如數字中頻、FM收音機、DVB-S、WLAN、LTE等芯片）的設計方案，具有較高的參考價值。希望廣大讀者能通過這些典型案例的解析，真正成為IC設計行業的精英，為這個時代做齣自己的貢獻。

　　我鄭重地把本書推薦給有誌進入數字係統和芯片設計領域的年輕人，希望你們能在中華民族復興的偉大事業中做齣自己那份實實在在的貢獻，贏得社會和朋友們的尊敬，度過幸福、快樂、有意義的人生。

　　夏宇聞

　　北京航空航天大學電子信息工程學院退休教授

　　北京至芯科技公司技術顧問，FPGA設計培訓師

　　2015年9月24日

　　前　　言

　　國內通信企業經過20年的大發展，目前已躋身於世界之巔。教主�　∫的詼勻握�非的尊稱。�≡�2001年斷言：“若乾年後，三分天下有其一……”，現在也基本實現，昔年的Motorola、北電、西門子�ⅰ∠衷謔橋禱�亞的一部分。�⒌染尥菲笠狄丫�式微。迴首這些往事，頗有一點笑看風雲的味道，但深究起來，導緻這些巨頭起起落落、沉浮不已的就是隱藏在其後的信息時代發展大潮,而信息大潮背後的主角就是一直追求高度集成的芯片設計。

　　芯片設計行業作為高度資本密集和高度技術密集的行業，需要很多基礎知識和背景知識纔能支撐。如果沒有前期的積纍，任何一傢企業都不可能推齣一款技術領先的産品，這也是為什麼在2000年以前，國內企業在通信市場很難有所作為的原因。但隨著技術進步，設計方法學的完善以及各種基礎設計方案的成熟，芯片設計的門檻越來越低。在某種意義上，芯片設計中的單個模塊設計越來越像是一種體力勞動，因為前人已經將各種血淚教訓總結齣來瞭，隻要用心，就能找到大量的參考設計和設計規則，而按照這種模式設計，芯片一定能夠滿足功能需求和市場需求，所以不成功都很難。而國內經過30年的培養，儲備瞭大量掌握此類基本技能的技術人纔，因此當積纍到一個臨界點，整個行業的成功是必然的。這也就是為什麼通信技術中心轉移到國內的原因。而本書正是基於對通信係統的深入觀察和豐富實踐，給齣瞭各種標準設計套路，保證初學者隻要根據本書的設計思路就能設計齣滿足市場需求、真正可用的芯片。

　　由於本書定位於挖掘通信芯片設計的本質，所以對各種常用的信號處理原理和算法思想進行瞭深入思考，並給齣很多通用性指導原則。為什麼采取這種思路，筆者也是經過深思熟慮的。

　　因為工作的緣故，我經常會培訓很多新人。這些新人往往在追求最新的技術，例如現在的LTE或者5G技術，我也很想在最短的時間內教會這些新人，但往往有心無力。例如，涉及LTE，必然要談到OFDM和SC-FDMA，想要講述清楚這兩者，就必須瞭解FFT，同時必須瞭解FFT背後隱藏的空間變換原理以及LTE利用FFT進行資源分配的原理，單純瞭解FFT的計算錶達式是無法做到這一點的；而瞭解FFT就必須清楚各種蝶形變換以及數據流的處理，進一步就牽扯到芯片設計中的數據流和控製流的設計方法。這一長串下來，不花上一天是很難讓初學者明白是怎麼一迴事情的。這樣的案例很多很多，本書也試圖講述5G通信中的非正交接入（NOMA）、濾波器組多載波（FBMC）、大規模MIMO（Massive MIMO）、SCMA以及F-OFDM等，但後來發現類似的技術可謂層齣不窮，怎麼辦？

　　事實上，國外的大學早已經解決瞭這一問題。看過TED公開課的讀者都會發現MIT等大學的教授在講述現代技術相關課程時，總是從技術的起源談起，然後按照技術分支的發展脈絡進行論述，這其中可能會牽扯很多技術方案，但最終潛藏在背後的思想使現有的技術分支生存瞭下來，而且還在不停地去蕪存菁。同樣，現在有很多炫目或者時尚的技術，但是從更宏觀的角度看，很多技術肯定會被淘汰，而生存下來的技術一定是滿足瞭某種根本性需求，或者遵循瞭某些基本原理規則的。因此，本書試圖通過把握通信技術的發展脈絡，將這些基本原理或者根本需求描述齣來，從而讓讀者在閱讀完本書後，能夠基於這種思維模式快速掌握新的技術，並對可能的候選技術做齣準確的把握。

　　由於本書講述瞭很多理論推導的東西，公式格外多，在寫書之餘，筆者常常在想，會不會因此使讀者感覺非常為難，所以，筆者采用瞭循序漸進的方法，盡量采用簡單的語言描述各種公式，並試圖將公式後麵所要錶達的思想傳遞齣來。其實，通信係統的各種算法也好，實現技巧也好，最佳的實現方法往往是簡單的或者蘊含簡單實現思想的方法。想一想相對論如此深刻的理論，卻可以簡單地通過E=mc2錶達齣來；在實現上，我國的氫彈方案相對其他國傢也是采用瞭簡單直接的實現方案，而且一直在追求更簡單的實現；麥剋斯韋電磁方程如此偉大的成就，也隻是通過一組簡單完美的偏微分方程即可錶達；各種深空無綫電通信電路的實現方法和遵循的原則也是越來越簡單。因此在學習無綫通信的各種算法和芯片實現時，一定要抱著實現過程是簡單優美的思想，或者一定要尋找到簡單優美的錶述方法。如果沒有找到，隻能證明所用的思維模式還不是很正確。

　　就像無綫通信顛覆瞭傳統固話模式一樣，在移動互聯網時代，傳統的通信設備廠商正在被顛覆。ICT融閤，基於雲計算、虛擬化的通用運算平颱正在取代傳統的專用芯片處理，基於OpenCL和ESL的計算正在逐步取代傳統的HDL開發模式，因此芯片的開發模式也發生瞭重大變化，但不變的依然是信息處理的思想和各種應對措施，本書也針對這種情況進行瞭簡單論述，以更加符閤時代的氣息。

　　本書的具體安排如下。

　　第1章，主要介紹集成電路設計入門，重點講述Verilog HDL設計入門、各種設計思想以及設計規範。

　　第2章，主要麵嚮FPGA開發者，講述FPGA與ASIC設計的不同，並詳細講述FPGA的各種特色應用，ASIC開發者也可以從中藉鑒很多很好的FPGA設計理念。

　　第3章，通過解構通信係統，將係統分解為很多獨立的基礎單元，完整覆蓋常見的各類數字信號處理算法，例如FIR、FFT、CORDIC等。在解構基礎上，又介紹如何設計真正實用的數字中頻係統和全數字立體聲FM收音機。

　　第4章，主要介紹如何實現信道編解碼，包含信道編解碼的設計思想、信號空間變換的關係等。讀者可以瞭解完整的BCH、RS、Viterbi、CRC等算法在芯片中是如何實現的。

　　第5章，在前麵4章的基礎上進行一個整閤，同時講述通信原理以及實際通信芯片設計的各種模闆。最後通過一個成功的DVB-S解調芯片設計例子，說明傳統單載波信號的標準解調方案。

　　第6章，針對當前流行的OFDM算法進行歸納總結，並通過介紹完整的802.11a/b/g/n芯片設計過程，說明當前MIMO OFDM芯片的設計模式與實現方法。

　　第7章，針對公網LTE係統設計以及對應的芯片實現進行歸納總結，給齣未來公網的演進路綫和設計思想。本章給齣瞭多款商用LTE SoC芯片的設計方法。

　　本書能夠齣版，首先要感謝華章公司，感謝張國強和張夢玲編輯。沒有他們的辛苦工作和不停的鼓勵，這本書不可能與廣大讀者見麵。還要感謝eetop站長Jack，作為203教研室的師兄，他熱心地為本書提供交流和互動的平颱。

　　感謝我的妻子和小寶貝，是他們一直在背後默默地支持我、鼓勵我，無論是處於高潮還是低榖，他們一直陪在我的身邊。

　　感謝我的父母和妹妹、妹夫，他們給予瞭我很多的關心和支持。

　　感謝我的搭檔秦翼龍，在本書寫作期間他給瞭我很多的幫助和靈感。也要感謝郭晨博士為我提供瞭很多LTE算法思路。同樣需要感謝的是陳光傑和餘曉東，關於互聯網的各種思想火花都是我們在飯後散步時一起獲得的。還要感謝楊軍，是他幫助我走上芯片設計之路。此外還要感謝我的老領導祝鋒，職業生涯中的幾個關鍵決策都是他幫助我做齣的。

　　感謝我的領導和同事：鄒素玲、段濤、馬明禮、鍾顯成、邢立強、倪慧娟、倪偉、孫華榮、王浩娟、王洪熙、佟學儉、瀋瑞鬆、王濤、陳平、何毛、孔佳、皮來桂、李春傑、範岩岩、牛翠竹、萬建超、喻煒、壽國梁、陳傑、吳南健、葉喜濤、趙元、陳穎、李嚮寜、康良川等，他們給瞭我很多的幫助和啓發。

　　最後還要感謝eetop、水木清華BBS、C114的各位熱心網友，他們為本書提供瞭大量的寶貴意見，也為本書提供瞭閤適的書名。本書適配的相關程序代碼可從www.hzbook.com、www.eetop.cn和www.v3t.com.cn等網站上下載。

　　希望本書不僅能使讀者掌握一定的專業技能，更重要的是，使他們能從中獲得各種各樣的思維模式，並能獲得解決各種各樣人生問題的啓發。人終其一生，無非就是在不斷探知自己的人生到底應當有什麼樣的意義而已。

　　由於筆者水平有限，思維深度有待升華，書中難免存在錯誤，懇請廣大讀者批評指正！