第一章 概述

对于世界各地的许多人、企业和组织来说，无线电通信是日常生活的重要组成部分。它使从国家级的无线电和电视广播，到移动蜂窝网络，私人数据网络；再到紧急服务通信，航空交通控制，导航系统和许多其他技术成为可能。虽然有些用途在几十年间变化不大（如收听当地的广播电台），但更大的画面显示，无线通信领域持续创新。蜂窝和私人数据网络正处于这个领域的创新前沿——向着更高的数据速率，更强的安全性和可靠性，更大的移动性，更低的延迟，以及支持更大密度的订阅者方向发展。

无线电标准的快速演变为实现这些各种性能改进，以及不断演变的使用情况，以及动态获取无线电频谱的新范例，意味着无线电设备必须越来越能够在现场升级，并在其操作中具有灵活性。总的来说，这些要求使得软件定义无线电（SDR）成为自然的解决方案。

在本书中，我们将讨论使用AMD Zynq UltraScale+ RFSoC设备设计和实现SDR系统。我们将回顾数字信号处理和无线通信的基础概念，考虑RFSoC架构的特点和能力，并展示如何在这个令人兴奋的平台上实现SDR系统。

1.1　 软件定义无线电的来临

软件定义无线电（SDR）并非新概念——该术语首次在1990年代引入，其起源可以追溯到1980年代[264]，[265]。SDR背后的基本思想是，无线电的一个或多个功能可以通过软件进行控制。最初，这是一个具有挑战性的愿景，当无线电传统上是固定功能的硬件设备；然而，在过去的几十年里，技术的发展越来越提供了支持SDR的平台。举一个简单的例子，前端SDR处理平台可通过软件编程设置本地振荡器频率进行调制和解调。SDR概念将在第2章进一步介绍；第8章将进一步详述架构。

在当今的时代，人们可能会争论几乎所有的无线电都是SDR，因为基于软件的控制通常嵌入在无线电架构的某个地方。只有最简单、最便宜的无线电设备不需要任何软件元素-例如，你仍然可以购买模拟无线电设备用于调幅（AM）和调频（FM）波段，由用户手动旋转旋钮进行调谐，观察指示条在频率尺度上的变化。然而，这些并不是支撑现代经济和社会的快速、可靠和安全的数据通信提供的无线电系统。相反，想想诸如Wi-Fi、蓝牙、4G、5G这样的标准-这些都是复杂且精密的系统，由软件进行调控。在许多情况下，核心处理功能也是在软件中实现的。正如我们在第19章中讨论的，可以争论在未来，可能会需要更灵活和反应更快的无线电，例如实现动态频谱接入（DSA），这是一种颠覆性的新型无线电频谱管理模型。

当我们发布这本书的时候，6G的设计和开发已经全速进行。这将是Gen1并且在射频（RF）前端几乎全是SDR的标准（至少对于低频和中频RF频率高达10GHz），RF采样的真正力量和灵活性将在2020年代后期出现在数字通信市场，就如同1980年代中期CD的第一种数字音频格式出现在音频市场上一样。另一场数字通信革命正在用6G呼唤我们！

因此，现代通信工程师需要的是赋予SDR能力的平台，因为他们正在寻求部署更好的今天的无线电标准的解决方案，并开发未来的新无线电系统。

1.2　 使用Zynq UltraScale+ RFSoC的SDR

本书的重点是使用Zynq UltraScale+ RFSoC平台（以下简称为'RFSoC'）实现SDR系统。顾名思义，这种设备是一种针对无线频率（RF）应用专门设计的系统芯片（SoC）。

RFSoC是AMD（前身为Xilinx，于2022年被AMD收购）开发的第三大ZynqSoC，第一款是2010年代初的Zynq-7000 SoC。Zynq UltraScale+多处理器SoC（MPSoC）在RFSoC之前，除了具有针对无线电的特性外，两者有很多共同点。这三种SoC类型都由处理系统（PS）组成，用于运行软件系统组件，与等效于现场可编程门阵列（FPGA）的可编程逻辑（PL）相结合，并在两部分之间进行高速连接。我们将在第3章比较这三种SoC类型的硬件特性，但现在，我们只关注RFSoC。

图1.1显示了RFSoC设备架构的高级视图。请注意PS和PL部分，特别是PL包含一些对SDR应用特别重要的突出特性。这些特性是硬化的，意味着它们是在设备的专用硅片上实现的，而不是在可编程逻辑上实现（带来性能优势，但仍提供可编程性）。

RFSoC的突出特性可以总结如下：

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图1.1：Zynq UltraScale+ RFSoC的高层次示意图

RF数据转换器（RFDC）模块 - 集成的模拟至数字转换器（ADC）和数字至模拟转换器（DAC）能够以非常高的采样率（GSps，或GHz）运行，使其能够直接采样许多无线电信号。RFDC模块还集成了可编程的数字上变频器（DUC）和数字下变频器（DDC），用于在基带（接近0Hz的信号）和调制频率之间进行转换，反之亦然。

软决策前向纠错（ SD-FEC）模块 - 无线通信方案通常会包含某种形式的前向纠错（FEC）编码，以抵消在无线电通道中引入的错误（即让接收器检测到位错误，并在可能的情况下进行纠正）。RFSoC架构包括硬化的SD-FEC模块，用于实现选定的移动蜂窝标准中使用的编码和或解码方案。使用这些硬化的SD-FEC模块是一种优化的、低功耗的方法，可在无线电设计中包含FEC功能。

千兆位收发器（GTY收发器） - 尽管RFDC代表了射频接口，但在许多情况下，RFSoC需要与无线电系统的其他元素建立有线连接。最显著的例子是无线蜂窝基础设施：RFSoC可以用来实现无线电前端，但需要高速链接回核心网络，这些通常以有线或光形式实现。RFSoC上支持所需接口的硬化GTY收发器模块，高速串行接口，可以实现多种不同的标准[50]。

除了这些专用资源，PL还提供了一个可编程的硬件资源，用于实现自定义的无线电架构。从SDR的角度看，可以集成运行时的灵活性，以从软件更改硬件设计的参数，甚至可以即时重新编程PL设计的部分。

PS架构包括一个四核应用处理单元，一个双核实时处理单元，以及用于平台管理和安全的特性[131]。还有本地内存、互连和外设接口。这些特性可以结合起来实现SDR的软件组件，如操作系统，对硬件元素的控制和协调，以及基于软件的算法。

1.3　 设计方法

SDR实现可以使用各种硬件技术和软件方法来实现。正如前面所述，RFSoC平台提供了一个强大的SDR硬件平台，其PS代表了软件组件的强大主机。

这本书从概念的角度介绍了SDR的实现，并在适当的地方深入研究了数学背景。也介绍了SDR系统设计的实际方面，以及几个示例和参考设计。Vivado集成开发环境（IDE）被广泛用于硬件开发，以及基于块的工具，Vitis和模型编译器以及HDL,Coder，这两者都在MATLAB和Simulink环境中使用。我们在书中特别介绍的SDR的“软件”部分的基础是PYNQ框架[39]，这是一个AMD开源项目，它在AMD自适应计算平台上提升了软硬件集成和生产力。它通过结合SoC硬件设计、Linux和Python元素，以及用于应用程序开发的Jupyter环境来实现这一点[294]。

RFSoC-PYNQ是PYNQ的扩展，它包含了对RFSoC平台的支持，并加速了SDR开发。它包括对硬化特性如RFDCs的设计支持，使得能够轻松地控制硬件块的参数和操作。RFSoC-PYNQ在本书的实践元素中进一步介绍，从紧接着这一章的Notebook Set A开始，并构成了伴随本书提供的参考设计的基础。

1.4　 如何使用这本书

无论你是在阅读印刷版还是电子版，这本书不仅仅是你在这里看到的这些页面。我们的目的是通过包含一套实践材料，提供一套丰富的设计资源。

在主要的书中，你会发现一些编号为：Notebook Set A、B、C、D、E、F、GH、I的短节。

这些实际上是简短的总结（只有几页），对应的实践资源是单独存在的，并且可以从附带本书的GitHub仓库中免费获取，该仓库将在下一节中介绍。这些设计的用户界面是通过一组Jupyter Notebook，因此标题为"Notebook Set"。

Notebooks和设计可以自由获取，下载到支持RFSoC的开发板上，并通过Jupyter进行交互。其中一些Notebook Set涵盖了一些相关的概念，如DSP和通信理论，不需要在开发板上运行（虽然它们可以）。Notebook Set A（参见第7页）介绍了本书的实践元素，并解释了如何开始。这些设计资源可以进行探索，重用，和构建。

当然，这本书的其余部分就是一本书-一组涵盖SDR和RFSoC技术的关键话题的章节，目的是让读者容易理解和获取信息。这些章节按照常规方式进行编号，从当前这一章到第19章。我们希望你会发现它们有用！

1.5　 相关工作和资源

本书旨在为RFSoC基础的SDR设计提供一个宝贵的入门资源，并作为那些已经开始这个旅程的人的有用伴侣。在编写本书的过程中，我们发现RFSoC-SDR设计实际上涉及到相当多的话题！我们力求以一种容易理解的风格和实际的细节程度涵盖这些话题。无疑，本书能够包含的材料范围是有限的，而在许多情况下，你可以在涵盖在本书的一章或子章中的话题上找到整本教科书。在适当的地方引用了进一步信息的来源，并在书的最后的参考文献列表中列出了这些来源。

此外，强调一些特定的信息源和支持资源也是很有用的：

本书的网站https://www.rfsocbook.com。

RFSoC-PYNQ网站https://www.rfsoc-pynq.io/和GitHub仓库

https://github.com/Xilinx/RFSoC-PYNQ-RFSoC-PYNQ资源以及开源项目的仓库。

StrathSDR GitHub仓库https://github.com/strath-sdr/RFSoC-Book-一个托管本书配套实践材料的仓库。

探索Zynq UltraScale+ MPSoC[https://www.zynq-mpsoc-book.com][131]-我们之前关于Zynq UltraScale+ MPSoC的书籍是一个有用的参考，因为RFSoC的许多架构方面与之相同。

AMD支持网页[https://www.xilinx.com/support.html-AMD为RFSoC及相关的开发工具和设计资源提供了广泛的文档和支持。

AMD大学计划[https://www.xilinx.com/support/university.html]-关于大学支持、项目、活动和其他倡议的信息。

通过GitHub分享的材料可以被视为"生动"的设计，随着时间的推移可能会受益于错误修复、升级和扩展。

1.6　 章节组织

本书分为四个主要部分进行组织：

介绍-第1章到第3章，以及Notebook Set A，这本书的第一部分介绍了SDR，RFSoC平台，并提供了作为本书第一个实践要素的“入门”教程。

使用RFSoC的SDRDSP和通信概念 - 第4章到第8章，Notebook Set B到E，我们回顾了来自数字信号处理（DSP）和无线通信理论的基本概念，并配合相关的实际例子，适当地参考RFSoC。这一部分的一个特殊特点是引入了基于RFSoC的频谱分析器-如果你有访问受支持的RFSoC开发板的权限，你可以下载这个应用到你的板上，并探索你周围的无线电频谱！

RFSoC特性和实际设计 - 第9章到第15章，Notebook Set F到H，这本书的这一部分更深入地研究了RFSoC的架构和特性，并考虑如何使用这个设备进行设计。特别的关注点放在RFDCs上，它们代表了SDR架构的模拟/数字接口；我们还研究了SD-FEC块并学习如何使用它们，并更一般地涵盖了RFSoC的设计方法。实践章节还演示了频率规划技术，并展示了一个完整的发射接收无线电设计。

系统和应用 - 第16章到第19章，NotebookSet I，最后几章以RFSoC SDR设计的上下文呈现了各种系统。覆盖了正交频率分割复用（OFDM）的多路访问方法，以及一个实际的例子。讨论了在蜂窝网络中以及在实现多输入多输出（MIMO）和波束形成系统中使用RFSoC的用途。最后，考虑了频谱管理和认知无线电解决方案的未来方向。

接下来，我们将在Notebook Set A中继续介绍Jupyter notebooks和PYNQ，然后在第2章中介绍SDR。