通信IC设计 PDF下载

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本书系统讲解了基带芯片的理论与设计实现。全书内容涉及通信IC设计知识、通信系统基础知识以及通信相关的理论知识等基础知识；还有广播基带芯片、无线（WiFi）基带芯片、LTE基带芯片的设计实现等实战知识。

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目　　录序言一序言二前　言第1章　集成电路设计与HDL / 1　　1.1　集成电路设计基础 / 11.1.1　集成电路的概念 / 11.1.2　IC设计的本质 / 51.1.3　IC设计流程 / 9　　1.2　Verilog HDL快速入门 / 161.2.1　Verilog HDL简介 / 161.2.2　Verilog的表达能力 / 171.2.3　第一个Verilog程序：通用加法器 / 181.2.4　第二个Verilog程序：多路选择器与运算操作 / 201.2.5　第三个Verilog程序：D触发器和多路延迟 / 271.2.6　第四个Verilog程序：function与时序电路组合 / 341.2.7　第五个Verilog程序：有限状态机 / 471.2.8　第六个Verilog程序：写testbench / 641.2.9　第七个Verilog程序：SPI总线 / 851.2.10　第八个Verilog程序：异步UART / 921.2.11　一些有用的Verilog程序 / 991.2.12　Verilog不同版本的差异 / 1081.2.13　Verilog语法小结 / 108　　1.3　复杂逻辑模块的设计 / 1101.3.1　结构化的设计 / 1101.3.2　数据流的设计 / 1141.3.3　控制流的设计 / 1321.3.4　重要接口部件的设计 / 135　　1.4　数的表示与基本运算 / 1441.4.1　数的表示方法 / 1451.4.2　定点数的计算规则 / 1491.4.3　定点计算举例 / 1491.4.4　定点数的移位规则 / 152　　1.5　Verilog HDL编程规范 / 1551.5.1　文档规范 / 1561.5.2　编程规范 / 1561.5.3　文件头定义格式 / 1561.5.4　格式规则 / 1571.5.5　命名规则 / 1571.5.6　整体编码规则 / 1581.5.7　全局信号编码规则 / 1661.5.8　模块编码规则 / 1661.5.9　可综合性设计 / 1671.5.10　可重用设计 / 1681.5.11　编程规范小结 / 168　　1.6　HDL电路设计技巧 / 1681.6.1　芯片设计的核心目标 / 1681.6.2　如何提高电路运行速度 / 1701.6.3　如何降低电路规模（使用面积） / 1731.6.4　如何优化时序 / 187　　总结 / 194第2章　FPGA设计与进阶 / 195　　2.1　FPGA简介 / 1962.1.1　FPGA功能强大的秘密 / 2002.1.2　FPGA具备可编程能力的原因 / 2012.1.3　其他的FPGA内部单元 / 2052.1.4　FPGA的应用方向 / 2052.1.5　FPGA的设计流程 / 2072.1.6　FPGA的层次提升 / 217　　2.2　FPGA与ASIC的差异 / 220　　2.3　FPGA的基本构成 / 2212.3.1　FPGA的RAM资源 / 2222.3.2　DSP资源 / 2322.3.3　PLL资源 / 2392.3.4　I/O引脚资源 / 244　　2.4　FPGA的调试 / 2512.4.1　在线存储器内容编辑工具 / 2512.4.2　内嵌逻辑分析仪 / 2532.4.3　虚拟JTAG / 2602.4.4　LogicLock / 2672.4.5　调试设计的指导原则 / 268　　2.5　FPGA的设计方法 / 2692.5.1　FPGA的设计规范 / 2702.5.2　FPGA的整体结构设计 / 270　　2.6　FPGA电路的优化 / 2852.6.1　整体优化原则 / 2872.6.2　FPGA优化举例 / 288　　2.7　FPGA可综合的概念 / 2902.7.1　可综合与不可综合的归纳 / 2912.7.2　always可综合的概念 / 2922.7.3　有限状态机可综合的概念 / 2932.7.4　可综合模块举例 / 294　　2.8　FPGA设计的注意事项 / 3012.8.1　外部接口 / 3022.8.2　时钟电路 / 3022.8.3　复位电路 / 3052.8.4　FPGA的设计规则 / 307　　附录　开发流程与应用环境快速搭建 / 310　　总结 / 338第3章　通信系统基础部件设计 / 339　　3.1　通信模型的构架 / 3403.1.1　通信电路的组成结构 / 3403.1.2　常见的算法单元模块 / 341　　3.2　通信系统的基本算法 / 342　　3.3　通信系统芯片设计的基本套路 / 3443.3.1　芯片设计的整体流程 / 3453.3.2　需求类别分析 / 3453.3.3　高速通信芯片的实现方案 / 3463.3.4　中速通信芯片的实现方案 / 3473.3.5　低速通信芯片的实现方案 / 3493.3.6　传统终端基带芯片的实现方案 / 350　　3.4　数字滤波器设计 / 3523.4.1　FIR滤波器的基本概念 / 3523.4.2　FIR滤波器的基本硬件实现 / 3543.4.3　FIR滤波器硬件实现结构概述 / 3573.4.4　基于分布式算法的FIR滤波器 / 3663.4.5　IIR滤波器设计 / 3733.4.6　滤波器设计中的量化问题 / 3763.4.7　数字滤波器的扩展应用——相关 / 385　　3.5　FFT原理与硬件设计 / 3893.5.1　概述 / 3893.5.2　FFT算法概述 / 3923.5.3　FFT实现面临的问题 / 3963.5.4　FFT硬件实现方案 / 3983.5.5　适用于WLAN发射机的64点FFT设计 / 4043.5.6　适用于WLAN接收机的64点FFT设计 / 4113.5.7　FFT与FIR的关系 / 4143.5.8　离散余弦变换 / 415　　3.6　CORDIC算法 / 4183.6.1　CORDIC简介 / 4183.6.2　一个求角度反正切的例子 / 4193.6.3　CORDIC算法原理 / 4223.6.4　CORDIC通用算法原理 / 4243.6.5　CORDIC算法的硬件实现结构 / 426　　3.7　NCO与DDS / 4323.7.1　NCO与DDS简介 / 4323.7.2　NCO设计原理 / 4323.7.3　NCO硬件设计 / 4343.7.4　DDS硬件设计 / 4353.7.5　DDS实现通信调制 / 437　　3.8　数字信号处理的集成案例1：数字中频 / 4393.8.1　概述 / 4393.8.2　数字下变频 / 4403.8.3　数字上变频 / 4573.8.4　数字上下变频的系统级设计 / 4613.8.5　数字中频的各种设计案例 / 468　　3.9　数字信号处理的集成案例2：FM收音机 / 4823.9.1　FM收音机原理 / 4833.9.2　FM收音机的解调思路 / 4853.9.3　FM的中频处理 / 4863.9.4　FM单声道收音机的ESL设计 / 4913.9.5　FM立体声收音机的硬件实现 / 4933.9.6　FM收音机相关的一些话题 / 499　　附录　数字信号处理算法实现的部分技巧 / 505　　总结 / 519第4章　通信系统的信道编解码 / 520　　4.1　通信编解码的基本框架 / 5214.1.1　编码的基础知识 / 5214.1.2　编码的几个基本概念 / 5224.1.3　信道编码间的关系 / 5234.1.4　级联码 / 5234.1.5　逼近容量极限的编码 / 5244.1.6　信道编解码芯片实现的基本套路 / 525　　4.2　8B/10B编码与译码 / 5254.2.1　8B/10B编码过程 / 5264.2.2　8B/10B解码过程 / 5304.2.3　8B/10B编码与解码的Verilog实现 / 531　　4.3　有限域的运算基础 / 5344.3.1　有限域的基本概念 / 5354.3.2　有限域多项式的运算规则 / 5364.3.3　GF(2)域的多项式运算 / 5384.3.4　适合硬件实现的有限域运算方法 / 539　　4.4　CRC冗余校验码简介 / 5474.4.1　CRC算法的基本原理 / 5484.4.2　几个基本概念 / 5494.4.3　CRC算法实现 / 550　　4.5　RS码 / 5554.5.1　RS的编码算法 / 5564.5.2　RS的译码算法 / 560　　4.6　BCH码 / 5794.6.1　BCH编码 / 5804.6.2　BCH译码方法简介 / 582　　4.7　卷积码简介 / 5854.7.1　卷积码的相关概念 / 5854.7.2　卷积码编码通用表述 / 5854.7.3　卷积码的变形以及特殊处理 / 5894.7.4　卷积码的译码原理 / 5904.7.5　Viterbi译码的硬件实现 / 6044.7.6　Viterbi的引申话题 / 606　　4.8　信道编解码集成案例 / 6094.8.1　编码方案 / 6094.8.2　整体编码流程 / 6104.8.3　硬件方案的整体概述 / 6124.8.4　信道编码 / 6184.8.5　信道解码 / 6264.8.6　芯片实现中的几个关键问题 / 634　　总结 / 644

前沿

前　　言国内通信企业经过20年的大发展，目前已跻身于世界之巅。教主　业内对任正非的尊称。在2001年断言：“若干年后，三分天下有其一……”，现在也基本实现，昔年的Motorola、北电、西门子　现在是诺基亚的一部分。等巨头企业已经式微。回首这些往事，颇有一点笑看风云的味道，但深究起来，导致这些巨头起起落落、沉浮不已的就是隐藏在其后的信息时代发展大潮,而信息大潮背后的主角就是一直追求高度集成的芯片设计。芯片设计行业作为高度资本密集和高度技术密集的行业，需要很多基础知识和背景知识才能支撑。如果没有前期的积累，任何一家企业都不可能推出一款技术领先的产品，这也是为什么在2000年以前，国内企业在通信市场很难有所作为的原因。但随着技术进步，设计方法学的完善以及各种基础设计方案的成熟，芯片设计的门槛越来越低。在某种意义上，芯片设计中的单个模块设计越来越像是一种体力劳动，因为前人已经将各种血泪教训总结出来了，只要用心，就能找到大量的参考设计和设计规则，而按照这种模式设计，芯片一定能够满足功能需求和市场需求，所以不成功都很难。而国内经过30年的培养，储备了大量掌握此类基本技能的技术人才，因此当积累到一个临界点，整个行业的成功是必然的。这也就是为什么通信技术中心转移到国内的原因。而本书正是基于对通信系统的深入观察和丰富实践，给出了各种标准设计套路，保证初学者只要根据本书的设计思路就能设计出满足市场需求、真正可用的芯片。由于本书定位于挖掘通信芯片设计的本质，所以对各种常用的信号处理原理和算法思想进行了深入思考，并给出很多通用性指导原则。为什么采取这种思路，笔者也是经过深思熟虑的。因为工作的缘故，我经常会培训很多新人。这些新人往往在追求最新的技术，例如现在的LTE或者5G技术，我也很想在最短的时间内教会这些新人，但往往有心无力。例如，涉及LTE，必然要谈到OFDM和SC-FDMA，想要讲述清楚这两者，就必须了解FFT，同时必须了解FFT背后隐藏的空间变换原理以及LTE利用FFT进行资源分配的原理，单纯了解FFT的计算表达式是无法做到这一点的；而了解FFT就必须清楚各种蝶形变换以及数据流的处理，进一步就牵扯到芯片设计中的数据流和控制流的设计方法。这一长串下来，不花上一天是很难让初学者明白是怎么一回事情的。这样的案例很多很多，本书也试图讲述5G通信中的非正交接入（NOMA）、滤波器组多载波（FBMC）、大规模MIMO（Massive MIMO）、SCMA以及F-OFDM等，但后来发现类似的技术可谓层出不穷，怎么办？事实上，国外的大学早已经解决了这一问题。看过TED公开课的读者都会发现MIT等大学的教授在讲述现代技术相关课程时，总是从技术的起源谈起，然后按照技术分支的发展脉络进行论述，这其中可能会牵扯很多技术方案，但最终潜藏在背后的思想使现有的技术分支生存了下来，而且还在不停地去芜存菁。同样，现在有很多炫目或者时尚的技术，但是从更宏观的角度看，很多技术肯定会被淘汰，而生存下来的技术一定是满足了某种根本性需求，或者遵循了某些基本原理规则的。因此，本书试图通过把握通信技术的发展脉络，将这些基本原理或者根本需求描述出来，从而让读者在阅读完本书后，能够基于这种思维模式快速掌握新的技术，并对可能的候选技术做出准确的把握。由于本书讲述了很多理论推导的东西，公式格外多，在写书之余，笔者常常在想，会不会因此使读者感觉非常为难，所以，笔者采用了循序渐进的方法，尽量采用简单的语言描述各种公式，并试图将公式后面所要表达的思想传递出来。其实，通信系统的各种算法也好，实现技巧也好，最佳的实现方法往往是简单的或者蕴含简单实现思想的方法。想一想相对论如此深刻的理论，却可以简单地通过E=mc2表达出来；在实现上，我国的氢弹方案相对其他国家也是采用了简单直接的实现方案，而且一直在追求更简单的实现；麦克斯韦电磁方程如此伟大的成就，也只是通过一组简单完美的偏微分方程即可表达；各种深空无线电通信电路的实现方法和遵循的原则也是越来越简单。因此在学习无线通信的各种算法和芯片实现时，一定要抱着实现过程是简单优美的思想，或者一定要寻找到简单优美的表述方法。如果没有找到，只能证明所用的思维模式还不是很正确。就像无线通信颠覆了传统固话模式一样，在移动互联网时代，传统的通信设备厂商正在被颠覆。ICT融合，基于云计算、虚拟化的通用运算平台正在取代传统的专用芯片处理，基于OpenCL和ESL的计算正在逐步取代传统的HDL开发模式，因此芯片的开发模式也发生了重大变化，但不变的依然是信息处理的思想和各种应对措施，本书也针对这种情况进行了简单论述，以更加符合时代的气息。本书的具体安排如下。第1章，主要介绍集成电路设计入门，重点讲述Verilog HDL设计入门、各种设计思想以及设计规范。第2章，主要面向FPGA开发者，讲述FPGA与ASIC设计的不同，并详细讲述FPGA的各种特色应用，ASIC开发者也可以从中借鉴很多很好的FPGA设计理念。第3章，通过解构通信系统，将系统分解为很多独立的基础单元，完整覆盖常见的各类数字信号处理算法，例如FIR、FFT、CORDIC等。在解构基础上，又介绍如何设计真正实用的数字中频系统和全数字立体声FM收音机。第4章，主要介绍如何实现信道编解码，包含信道编解码的设计思想、信号空间变换的关系等。读者可以了解完整的BCH、RS、Viterbi、CRC等算法在芯片中是如何实现的。第5章，在前面4章的基础上进行一个整合，同时讲述通信原理以及实际通信芯片设计的各种模板。最后通过一个成功的DVB-S解调芯片设计例子，说明传统单载波信号的标准解调方案。第6章，针对当前流行的OFDM算法进行归纳总结，并通过介绍完整的802.11a/b/g/n芯片设计过程，说明当前MIMO OFDM芯片的设计模式与实现方法。第7章，针对公网LTE系统设计以及对应的芯片实现进行归纳总结，给出未来公网的演进路线和设计思想。本章给出了多款商用LTE SoC芯片的设计方法。本书能够出版，首先要感谢华章公司，感谢张国强和张梦玲编辑。没有他们的辛苦工作和不停的鼓励，这本书不可能与广大读者见面。还要感谢eetop站长Jack，作为203教研室的师兄，他热心地为本书提供交流和互动的平台。感谢我的妻子和小宝贝，是他们一直在背后默默地支持我、鼓励我，无论是处于高潮还是低谷，他们一直陪在我的身边。感谢我的父母和妹妹、妹夫，他们给予了我很多的关心和支持。感谢我的搭档秦翼龙，在本书写作期间他给了我很多的帮助和灵感。也要感谢郭晨博士为我提供了很多LTE算法思路。同样需要感谢的是陈光杰和余晓东，关于互联网的各种思想火花都是我们在饭后散步时一起获得的。还要感谢杨军，是他帮助我走上芯片设计之路。此外还要感谢我的老领导祝锋，职业生涯中的几个关键决策都是他帮助我做出的。感谢我的领导和同事：邹素玲、段涛、马明礼、钟显成、邢立强、倪慧娟、倪伟、孙华荣、王浩娟、王洪熙、佟学俭、沈瑞松、王涛、陈平、何毛、孔佳、皮来桂、李春杰、范岩岩、牛翠竹、万建超、喻炜、寿国梁、陈杰、吴南健、叶喜涛、赵元、陈颖、李向宁、康良川等，他们给了我很多的帮助和启发。最后还要感谢eetop、水木清华BBS、C114的各位热心网友，他们为本书提供了大量的宝贵意见，也为本书提供了合适的书名。本书适配的相关程序代码可从www.hzbook.com、www.eetop.cn和www.v3t.com.cn等网站上下载。希望本书不仅能使读者掌握一定的专业技能，更重要的是，使他们能从中获得各种各样的思维模式，并能获得解决各种各样人生问题的启发。人终其一生，无非就是在不断探知自己的人生到底应当有什么样的意义而已。由于笔者水平有限，思维深度有待升华，书中难免存在错误，恳请广大读者批评指正！