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本书以Xilinx公司Zynq-7000系列SoC和ADI公司AD9361射频收发器为核心定制的硬件平台SDR-AI-Z7为基础，以GNU Radio软件和MATLAB软件为设计平台，详细介绍了软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）的原理，以及基于不同软件平台实现SDR通信系统的方法。本书在介绍SDR的原理和基于SDR技术实现通信系统时，为读者展现了不同实现方法对通信系统的性能、灵活性、成本和功耗方面的影响。本书共13章，主要内容包括软件定义无线电技术基础、软件定义无线电平台硬件和软件架构、软件定义无线电平台开发环境的构建、通信信号处理的基础知识、正交调制和复指数的基础知识、前向纠错的基本原理和实现、软件定义无线电系统同步原理和实现、信道估计与均衡原理和实现、FM和FSK的GNU Radio实现、BPSK和QPSK无线传输的Simulink实现、OFDM无线传输的Simulink实现、802.11a无线传输的MATLAB实现，以及ADS-B信号接收Simulink实现。此外，本书的附录提供了AM的GNU Radio实现和QPSK的GNU Radio实现等。本书理论和实践并重，通过采用不同的软件框架实现SDR通信系统，从多个角度诠释了软件定义无线电中“软件”的本质含义。

目录
第1章  软件定义无线电技术基础	1
1.1  无线电频谱及分配	1
1.1.1  无线电频谱的定义	1
1.1.2  无线电频谱分配	3
1.1.3  频谱许可和合法使用	4
1.1.4  频谱政策	4
1.2  自由空间路径损耗	5
1.3  软件定义无线电的发展历史	6
1.4  通信系统的分层模型	9
1.4.1  开放系统互连模型	9
1.4.2  TCP/IP模型	11
1.5  无线通信标准	12
1.5.1  通信标准的定义和重要性	12
1.5.2  Wi-Fi的发展历程	14
1.5.3  蜂窝网络的发展历程	15
1.6  SDR实现通信协议栈	16
1.6.1  MAC和PHY	16
1.6.2  上层	17
1.6.3  无线物理层	17
第2章  软件定义无线电平台硬件和软件架构	19
2.1  软件定义无线电架构的演进	19
2.1.1  基带采样/模拟中频基带采样SDR	19
2.1.2  数字中频采样SDR	20
2.1.3  带可调谐RF的基带采样SDR	20
2.1.4  直接射频SDR	22
2.2  可重构软件定义无线电平台硬件架构	23
2.2.1  Xilinx Zynq-7000异构架构SoC	23
2.2.2  ADI的AD9361射频收发器	23
2.2.3  软件无线电硬件开发平台	27
2.2.4  Vivado底层硬件框架	29
2.3  使用软件无线电框架的必要性	49
2.4  ADI的IIO子系统	51
2.5  GNU Radio软件无线电开发框架	55
2.5.1  GNU Radio的发展历史	55
2.5.2  GNU Radio的功能	56
2.5.3  GNU Radio的初衷	57
2.5.4  GNU Radio中的典型块	59
2.6  MathWorks软件无线电开发框架	60
2.6.1  AD9361 Simulink模型	60
2.6.2  通用的通信和DSP系统工具箱功能	63
2.6.3  面向硬件可编程逻辑的Simulink工具流程	64
2.6.4  SDR设计中的软硬件协同设计方法的框架	64
2.6.5  SDR设计中的软硬件协同设计方法的实现	65
2.7  动态可重配置软件无线电开发框架	68
2.7.1  动态可重配置技术与SoC结构的结合	68
2.7.2  动态可重配置技术的核心单元	69
第3章  软件定义无线电平台开发环境的构建	71
3.1  Vivado设计套件的下载和安装	71
3.1.1  Vivado设计套件的设计流程	71
3.1.2  Vivado设计套件的下载	73
3.1.3  Vivado设计套件的安装	75
3.1.4  添加许可文件	79
3.1.5  添加板支持包	81
3.2  GNU Radio软件的下载和安装	81
3.2.1  GNU Radio软件的下载	81
3.2.2  GNU Radio软件的安装	83
3.3  MATLAB软件的下载和安装	86
3.3.1  MATLAB软件的下载	86
3.3.2  MATLAB软件的安装	87
3.3.3  安装Simulink软件支持包	93
3.3.4  添加HDL Coder工具补丁包	96
3.3.5  安装定制硬件平台的软件支持包	97
第4章  通信信号处理的基础知识	98
4.1  调制和解调	98
4.2  射频术语和参数	98
4.3  多速率信号处理	99
4.3.1  多速率采样的原因	99
4.3.2  过采样ADC和DAC	100
4.3.3  抽取	101
4.3.4  插值	102
4.3.5  半带和L带滤波器	103
4.3.6  抽取和插值级联	104
4.4  基带调制（位到符号）	106
4.4.1  正交调制与符号空间维度	106
4.4.2  幅移键控	107
4.4.3  正交幅度调制	107
4.4.4  相移键控	109
4.4.5  其他调制方案	110
4.5  基带解调（符号到位）	110
4.5.1  符号判决	111
4.5.2  加性高斯白噪声信道	111
4.5.3  误差矢量幅度	113
4.5.4  比特错误率	113
4.6  无线信道	113
4.6.1  信道效应	114
4.6.2  解决方法	117
4.7  脉冲整形与匹配滤波	118
4.7.1  符号作为脉冲	119
4.7.2  脉冲整形要求和实现	119
4.7.3  平方根升余弦匹配滤波	120
4.7.4  最大效果点	121
4.8  比特错误率分析	121
第5章  正交调制和复指数的基础知识	123
5.1  信号的表示	123
5.1.1  模拟和数字信号	123
5.1.2  实数和复数信号	123
5.1.3  欧拉公式	124
5.1.4  使用复数频谱在频域中查看实信号	125
5.2  幅度调制和解调	129
5.2.1  双边带抑制载波幅度调制	130
5.2.2  幅度解调	131
5.2.3  带有相位误差的幅度解调	132
5.3  正交幅度调制和解调	133
5.3.1  正交调制的三角表示	133
5.3.2  正交解调的三角表示	134
5.3.3  带相位移动的正交解调	135
5.4  复数符号的正交调制和解调	136
5.4.1  复指数表示法的正交调制	136
5.4.2  复指数表示法的正交解调	137
5.5  复指数解调的频谱表示	138
5.6  接收机的频率偏移和校正	141
第6章  前向纠错的基本原理和实现	143
6.1  前向纠错概论	143
6.1.1  前向纠错的背景	143
6.1.2  前向纠错的基本原理	143
6.1.3  最大似然译码	146
6.2  汉明码	146
6.2.1  汉明码的参数	146
6.2.2  最小距离的定义及其和纠错检错能力的关系	147
6.2.3  一致监督矩阵	147
6.2.4  生成矩阵	149
6.2.5  线性分组码的编码	149
6.2.6  线性分组码的译码	150
6.3  循环码	153
6.3.1  循环码的定义和生成多项式	154
6.3.2  监督多项式和监督矩阵	156
6.3.3  (n,k)循环码的编码	157
6.3.4  (n,k)循环码的译码	161
6.4  卷积码	167
6.5  维特比译码器	169
6.6  BCJR、Log-MAP和Max-Log-MAP算法	172
6.6.1  BCJR算法	172
6.6.2  Log-MAP和MAX-Log-MAP算法	174
6.7  卷积码的性能	175
6.8  衰落信道的前向纠错	176
6.9  Turbo码	177
6.10  LDPC码	181
6.10.1  编码	181
6.10.2  译码	183
6.10.3  5G NR标准中的LDPC码	186
第7章  软件定义无线电系统同步原理和实现	188
7.1  信号的同步问题	188
7.2  定时同步	189
7.2.1  符号定时原理	189
7.2.2  符号定时恢复结构	189
7.2.3  定时误差检测器	190
7.2.4  定时分辨率	196
7.3  载波同步	196
7.3.1  载波偏移	197
7.3.2  粗频率校正	197
7.3.3  细频率校正	198
7.4  帧同步	204
7.4.1  帧的常见格式	205
7.4.2  巴克码	205
7.4.3  Zadoff-Chu序列	209
7.4.4  高莱互补序列	211
第8章  信道估计与均衡原理和实现	213
8.1  多径干扰	213
8.2  信道估计	214
8.3  均衡器	217
8.3.1  线性均衡器	217
8.3.2  非线性均衡器	220
第9章  FM和FSK的GNU Radio实现	223
9.1  FM的原理和相关参数	223
9.1.1  FM的原理	223
9.1.2  FM的相关参数	224
9.2  系统设计环境支持	225
9.3  FM发射系统的设计	226
9.3.1  启动GNU Radio软件	226
9.3.2  添加Wav File Source块	227
9.3.3  添加WBFM Transmit块	228
9.3.4  添加QT GUI Time Sink块	229
9.3.5  添加QT GUI Sink块	231
9.3.6  添加FMComms2/3/4 Sink块	232
9.3.7  连接流程图中的块	233
9.3.8  保存设计	234
9.4  FM接收系统的设计	234
9.4.1  启动GNU Radio软件	234
9.4.2  添加FMComms2/3/4 Source块	235
9.4.3  添加QT GUI Sink块	236
9.4.4  添加Low Pass Filter块（一）	237
9.4.5  添加WBFM Receive块	238
9.4.6  添加Multiply Const块	239
9.4.7  添加Low Pass Filter块（二）	241
9.4.8  添加Audio Sink块	241
9.4.9  连接流程图中的块	242
9.4.10  保存设计	244
9.5  系统测试和验证	244
9.5.1  镜像文件的复制	244
9.5.2  安装PuTTY软件工具	246
9.5.3  硬件平台的设置和启动	247
9.5.4  配置网络参数	249
9.5.5  FM无线传输系统的硬件测试	250
9.6  FSK的原理	252
9.6.1  2-FSK的原理	252
9.6.2  其他FSK方式	254
9.7  FSK原理仿真	255
9.7.1  系统参数设置	257
9.7.2  信源生成子系统	257
9.7.3  FSK调制子系统	258
9.7.4  FSK解调与验证子系统	258
9.7.5  FSK原理仿真	260
9.8  FSK发射机的设计	260
9.8.1  FSK发射机的参数	262
9.8.2  FSK发射机的结构	262
9.9  FSK接收机的设计	263
9.9.1  FSK解调子系统的结构	265
9.9.2  FSK数据恢复子系统的结构	265
9.10  FSK文件传输系统测试	266
9.10.1  测试前的准备工作	266
9.10.2  系统测试结果	267
第10章  BPSK和QPSK无线传输的Simulink实现	271
10.1  系统设计结构	271
10.2  BPSK和QPSK基带处理器的设计	272
10.2.1  创建新的Simulink设计模型	272
10.2.2  符号映射	276
10.2.3  整形滤波	279
10.2.4  自动增益控制	280
10.2.5  粗频率校正	281
10.2.6  细频率校正	284
10.2.7  时序同步	288
10.2.8  帧同步	290
10.2.9  抽样判决	292
10.3  基带处理模块功能仿真与系统仿真	292
10.3.1  QPSK仿真环境的构建	292
10.3.2  查看系统采样率	294
10.3.3  按模块功能仿真	295
10.3.4  系统功能仿真	301
10.3.5  BPSK功能仿真	301
10.4  编译HDL模型与软件接口模型	303
10.4.1  编译HDL模型	303
10.4.2  软件接口模型设计	312
10.4.3  软件模型的设计	316
10.5  单个SDR硬件平台上运行发送和接收测试	317
10.5.1  硬件设备连接	317
10.5.2  发射端与接收端的IP设置	318
10.5.3  执行MATLAB脚本	318
10.5.4  运行设计	319
10.5.5  可编程逻辑资源利用率	321
10.6  编译为独立的可执行文件并运行	321
10.6.1  编译独立的可执行文件	321
10.6.2  加载设计及运行可执行文件	322
第11章  OFDM无线传输的Simulink实现	326
11.1  OFDM的产生背景	326
11.1.1  OFDM技术的起因	326
11.1.2  OFDM的动机	327
11.2  多载波调制	330
11.3  OFDM的原理	332
11.3.1  OFDM调制和解调	332
11.3.2  循环前缀	334
11.4  OFDM系统框架	336
11.4.1  OFDM顶层模型	337
11.4.2  OFDM帧结构	338
11.5  OFDM发射机设计概要	340
11.5.1  OFDM发射机接口	340
11.5.2  OFDM发射机的结构	341
11.6  OFDM发射机详细设计	342
11.6.1  帧控制器和输入采样器子系统	342
11.6.2  数据生成器子系统	347
11.6.3  多路复用子系统	357
11.6.4  帧形成和OFDM调制子系统	358
11.6.5  离散FIR滤波子系统	361
11.7  OFDM接收机设计概要	361
11.7.1  OFDM接收机的接口	362
11.7.2  OFDM接收机结构	363
11.8  OFDM接收机详细设计	363
11.8.1  同步和OFDM解调子系统	365
11.8.2  信道和载波相位误差估计与校正子系统	376
11.8.3  报头和数据恢复子系统	382
11.8.4  诊断总线生成子系统	384
11.9  系统HDL模型配置和仿真	387
11.9.1  系统HDL模型的配置	387
11.9.2  系统HDL模型的仿真	387
11.10  系统的软硬件协同实现	389
11.10.1  编译HDL模型	389
11.10.2  设计软件接口模型	390
11.10.3  设计软件模型	391
11.10.4  测试OFDM无线传输系统	392
第12章  802.11a无线传输的MATLAB实现	395
12.1  802.11a协议栈的底层结构分析	395
12.1.1  802.11a的底层格式	395
12.1.2  MPDU的帧结构	396
12.1.3  PPDU的帧结构	397
12.1.4  数据扰码器	400
12.1.5  卷积编码器	400
12.1.6  数据交织	402
12.1.7  子载波调制映射	402
12.1.8  导频子载波	404
12.1.9  OFDM调制	404
12.2  图像发射端设计	405
12.2.1  创建新的图像发送设计	406
12.2.2  图像读取与预处理	406
12.2.3  生成数据链路层MPDU	407
12.2.4  生成物理层PPDU	408
12.2.5  波形形成与信号发送	409
12.3  图像接收端设计	410
12.3.1  创建新的图像接收设计	410
12.3.2  计算发送数据的规模	411
12.3.3  设置接收端参数	412
12.3.4  设置接收机并捕获数据包	412
12.3.5  接收端数据处理	413
12.3.6  重建图像	417
12.4  图像发送和接收测试	418
第13章  ADS-B信号接收Simulink实现	421
13.1  基础知识	421
13.1.1  Mode S编码	421
13.1.2  ADS-B编码	422
13.1.3  脉冲位置调制	423
13.2  ADS-B无线传输系统模型设计	423
13.2.1  ADS-B发射机的设计	425
13.2.2  ADS-B接收机的设计	425
13.3  ADS-B无线传输系统的模型仿真	430
13.4  ADS-B系统实现与测试	431
13.4.1  编译HDL模型	431
13.4.2  设计软件接口模型	432
13.4.3  设计软件模型	433
13.4.4  运行ADS-B信号接收系统	434
附录A  AM的GNU Radio实现	436
A.1  AM的基本原理	436
A.2  AM发射机和接收机模型的构建	436
A.2.1  AM发射机模型的构建	436
A.2.2  AM接收机模型的构建	438
A.3  AM发射机和接收机模型的测试结果	438
A.3.1  AM发射机模型的测试结果	439
A.3.2  AM接收机模型的测试结果	439
附录B  QPSK的GNU Radio实现	441
B.1  QPSK发射机和接收机模型的构建	441
B.1.1  QPSK发射机模型的构建	441
B.1.2  QPSK接收机模型的构建	442
B.2  QPSK发射机和接收机模型的测试结果	444
B.2.1  CVSD解码结果的测试	444
B.2.2  自收自发模式的测试结果	444
B.2.3  对传模式的测试结果	445
附录C  GNU Radio移植到Zynq-7000 SoC平台	446
C.1  背景	446
C.2  移植的实现	447
C.3  gr-iio的测试	447

前言
软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）技术的不断演进推动了全球通信技术的发展，成为电子信息领域中的一个前沿研究领域。目前，NI公司（现已被Emerson公司收购）的通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）是流行的SDR技术硬件平台，支持多个主流的软件框架（如GNU Radio、MATLAB和LabView），有丰富的SDR生态设计资源。但是，USRP也存在着价格昂贵、用户对底层硬件的可操控性较差，以及硬件资源有限的缺点。
在市场调研和技术可行性评估的基础上，本书作者团队于2023年年初基于Xilinx公司（现已被AMD公司收购）Zynq-7000系列SoC中容量最大的一颗芯片XC7Z100和ADI公司的AD9361射频收发器，自主设计并实现了一款功能更加强大的SDR硬件平台—SDR-AI-Z7，该平台旨在满足复杂SDR应用场景和SDR与人工智能融合的需求。SDR-AI-Z7的推出显著降低了硬件平台的成本，改善了用户对底层硬件的可操控性，同时提升了软件和硬件设计的灵活性。通过本书作者团队的技术创新以及与产业界的深度产教融合，SDR-AI-Z7成功与主流的GNU Radio软件和MATLAB软件实现了适配。这一平台为从事SDR研究的开发人员提供了一个成本更低、灵活性更好的硬件解决方案，显著降低了SDR研究和开发的整体成本。
此外，读者还可以使用为该定制硬件平台移植面向桌面应用的Ubuntu操作系统，借助MATLAB Simulink中可生成硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）的设计模型，生成具有调制和解调功能的知识产权（Intellectual Property，IP）核，并实现在Ubuntu操作系统环境下使用Qt Creator进行应用程序开发的任务，这将进一步增强用户对整个定制硬件平台的可操控性，充分利用Zynq-7000 SoC提供的“软件”（这里是指在Arm Cortex-A9双核处理器上运行的软件代码）和“硬件”（这里是指可编程逻辑区域）集成功能，真正实现SDR通信系统的“软件”和“硬件”的一体化。
本书共13章，首先介绍了软件定义无线电的关键原理，包括软件定义无线电技术基础、软件定义无线电平台硬件和软件架构、软件定义无线电平台开发环境的构建、通信信号处理的基础知识、正交调制和复指数的基础知识、前向纠错的基本原理和实现、软件定义无线电系统同步原理和实现，以及信道估计与均衡原理和实现。在此基础上，从GNU Radio和MATLAB两个角度对软件定义无线电的具体实现进行了详细介绍，主要内容包括FM和FSK的GNU Radio实现、BPSK和QPSK无线传输的Simulink实现、OFDM无线传输的Simulink实现、802.11a无线传输的MATLAB实现，以及ADS-B信号接收Simulink实现。
在编写本书的过程中，我们参考了Software Defined Radio with Zynq UltraScale+ RFSoC一书中的内容。此外，我们还参考了Software-Defined Radio for Engineers一书中的内容。这两本书的理论部分为本书的编写提供了丰富的素材。在此基础上，我们通过进一步查阅相关文献，对上述两本书中给出的理论知识进行了更加详细的介绍。
在本书编写的过程中，李天凌做了大量的工作，包括基于SDR-AI-Z7开发了用于MATLAB软件的通信支持包、基于SDR-AI-Z7实现了BPSK和QPSK的无线传输系统、基于SDR-AI-Z7实现了OFDM的无线传输系统，以及基于SDR-AI-Z7实现了802.11a无线传输系统。余晨实现了GNU Radio软件与SDR-AI-Z7的互连互通，并通过GNU Radio软件设计了FM调制和解调的设计实例，对该设计在SDR-AI-Z7上的运行情况进行了测试和验证。
这里也要感谢MathWorks公司中国区大学计划团队的鼎立支持和无私帮助，正是因为这个团队高效的技术支持和协调机制，使得我们能够顺利地在SDR-AI-Z7上实现多个不同的软件定义无线电设计。
回想起来，与电子工业出版社已经愉快地合作了十多年，张迪编辑一直负责我的图书出版工作，期间给予了我们热心的帮助，这里也离不开电子工业出版社领导的大力支持，在此对他们的支持和帮助表示诚挚的谢意。
由于作者的水平有限，书中难免有不足之处，恳请广大读者不吝赐教。

                                                                                                                    何宾      
                                                                                                         2025年5月于北京

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面向 Zynq-7000 SoC 的软件定义无线电原理及实现：涵盖 GNU Radio 和 MATLAB 软件的通信系统设计