毫米波無線通信 Millimeter Wave Wireless Communications

本書內容涵蓋毫米波通信的各個技術方面，包括通信理論、通道傳播、天線和電路等。首先介紹無線通信從特高頻和微波頻段提高到毫米波頻段過程中所演變出的新功能和新架構以及毫米波技術的一般應用。接著介紹毫米波通信的基礎理論，包括基帶信號、通道模型、調制、均衡、差錯控制編碼和MIMO原理等，此外還包括早期毫米波通信系統中已經應用的傳統技術、毫米波室內外通信的無線傳播原理以及波束組合、毫米波通信系統的天線和天線陣列、毫米波模擬電路的設計包括射頻電路收發信機的設計和其他關鍵設計、超高速數字基帶電路的設計如高速高保真DAC/ADC等。最後，介紹毫米波通信系統物理層的設計思路如算法選擇和缺陷消除、更高層（物理層之上）的設計思路如波束自適應和多波段共存、60 GHz無線通信系統標準化工作中的設計要素以及每種標準的主要特點、它們的物理層和介質訪問控制設計中的重要細節等內容。

目 錄
第１章 緒論 1
1.1 科學前沿：毫米波無線技術 1
1.2 技術前瞻：毫米波技術實施中可能面臨的挑戰 11
1.3 毫米波通信的新興應用 13
1.3.1 數據中心 13
1.3.2 替代芯片上的有線互連 15
1.3.3 信息傾註 15
1.3.4 未來的家庭和辦公室 16
1.3.5 車輛領域的應用 17
1.3.6 蜂窩通信和個人移動通信 17
1.3.7 航空航天領域的應用 18
1.4 本書的目標 19
1.5 全書概要 20
1.6 符號和常用定義 22
1.7 本章小結 23
第2章 無線通信基礎 24
2.1 引言 24
2.2 復基帶信號表徵 24
2.3 數字調制 29
2.3.1 符號 29
2.3.2 符號檢測 30
2.3.3 二進制相移鍵控及其他形式 32
2.3.4 幅移鍵控及不同形式 33
2.3.5 正交相移鍵控及不同形式 33
2.3.6 相移鍵控 35
2.3.7 正交振幅調制 35
2.4 時域均衡 36
2.4.1 線性均衡 38
2.4.2 判決反饋均衡 40
2.4.3 最大似然序列估計 41
2.5 頻域均衡 42
2.5.1 單載波頻域均衡 43
2.5.2 OFDM調制 45
2.6 差錯控制編碼 47
2.6.1 差錯檢測的塊碼 47
2.6.2 里德-所羅門碼 48
2.6.3 低密度奇偶校驗碼 49
2.6.4 捲積碼 50
2.6.5 網格編碼調制 52
2.6.6 時域擴頻 53
2.6.7 不等差錯保護 53
2.7 估計與同步 54
2.7.1 適用於通信的結構 56
2.7.2 頻率偏移同步 57
2.7.3 幀同步 59
2.7.4 通道估計 60
2.8 多輸入多輸出(MIMO)通信 62
2.8.1 空間復用 62
2.8.2 空間多樣性 64
2.8.3 MIMO系統中的波束賦形 64
2.8.4 混合預編碼 66
2.9 硬件架構 66
2.10 系統架構 69
2.11 本章小結 72
第3章 毫米波的無線電波傳播 74
3.1 引言 74
3.2 大尺度傳播通道效應 76
3.2.1 對數距離路徑損耗模型 78
3.2.2 大氣效應 79
3.2.3 毫米波傳播的天氣效應 80
3.2.4 繞射 83
3.2.5 反射和透射 83
3.2.6 散射和雷達散射截面建模 87
3.2.7 周圍物體、人和樹葉的影響 89
3.2.8 射線跟蹤和特定站址傳播預測 91
3.3 小尺度通道效應 95
3.3.1 延遲擴展特性 96
3.3.2 多普勒效應 97
3.4 多徑和波束組合的空間特徵 98
3.4.1 波束組合方法 99
3.4.2 波束組合效果 99
3.5 角度擴展和多徑到達角 101
3.6 天線極化 103
3.7 室外通道模型 104
3.7.1 3GPP室外傳播模型 113
3.7.2 車輛到車輛模型 124
3.8 室內通道模型 126
3.8.1 室內通道的射線跟蹤模型 126
3.8.2 瑞利、萊斯和Multiwave衰落模型 127
3.8.3 IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad通道模型 128
3.8.4 IEEE 802.15.3c 132
3.8.5 IEEE 802.11ad 136
3.9 本章小結 137
第4章 毫米波應用中的天線及陣列 139
4.1 引言 139
4.2 毫米波片上天線和封裝天線的基礎知識 140
4.2.1 天線基礎理論 142
4.2.2 天線陣列基礎 144
4.3 片上天線環境 148
4.4 封裝天線 155
4.5 毫米波通信的天線拓撲結構 157
4.6 提高片上天線增益的技術 167
4.7 自適應天線陣列—毫米波通信的實現 174
4.7.1 毫米波自適應天線陣列的波束控制 175
4.7.2 天線陣列波束賦形算法 179
4.7.3 專門的波束賦形算法—ESPRIT和MUSIC 184
4.7.4 毫米波通信自適應陣列的案例研究 185
4.8 片上天線性能的測試 186
4.8.1 毫米波片上天線測試的案例研究 186
4.8.2 片上天線或封裝天線的探針台特性改善 188
4.9 本章小結 190
第5章 毫米波射頻與模擬器件和電路 192
5.1 引言 192
5.2 毫米波晶體管和器件基本概念 192
5.3 S參數、Z參數、Y參數及ABCD參數 194
5.4 毫米波電路的模擬、佈局和CMOS製造 198
5.5 晶體管與晶體管模型 201
5.6 毫米波晶體管的其他先進模型 206
5.6.1 BSIM模型 211
5.6.2 毫米波晶體管模型的演化—EKV模型 212
5.7 傳輸線和無源器件簡介 212
5.7.1 傳輸線 215
5.7.2 差分與單端傳輸線 219
5.7.3 電感器 219
5.7.4 鍵合引線封裝產生的寄生電感 223
5.7.5 變壓器 223
5.7.6 互聯線 226
5.8 基本晶體管組態 226
5.8.1 共軛匹配 227
5.8.2 米勒電容 227
5.8.3 極點與反饋 228
5.8.4 頻率調諧 229
5.9 毫米波無線電的靈敏度及鏈路預算 231
5.10 模擬毫米波器件的重要度量指標 232
5.10.1 非線性交調點 232
5.10.2 噪聲系數與噪聲因數 236
5.11 模擬毫米波組件 236
5.11.1 功率放大器 237
5.11.2 低噪聲放大器 244
5.11.3 混頻器 250
5.11.4 壓控振盪器(VCO) 254
5.11.5 鎖相環 263
5.12 損耗因子理論 267
5.12.1 功率效率因子的數值實例 269
5.12.2 損耗因子的定義 271
5.13 本章小結 275
第6章 超高速數字基帶電路 277
6.1 引言 277
6.2 ADC和DAC採樣與轉換的回顧 278
6.3 器件失配：ADC和DAC的難題 284
6.4 基本模數轉換電路：比較器 285
6.5 ADC設計的目標和挑戰 290
6.6 編碼器 294
6.7 毫米波無線ADC的趨勢和架構 295
6.7.1 流水線ADC 295
6.7.2 逐次逼近型ADC 296
6.7.3 時間交錯ADC 296
6.7.4 快閃內存ADC和折疊快閃內存ADC 298
6.7.5 ADC案例研究 303
6.8 數模轉換器 304
6.8.1 基本數模轉換器電路：電流型數模轉換器 305
6.8.2 模數轉換電路設計案例研究 309
6.9 本章小結 311

第7章 毫米波物理層設計與算法 312
7.1 引言 312
7.2 實用收發信機 312
7.2.1 信號削峰和量化 313
7.2.2 放大器非線性 315
7.2.3 相位噪聲 316
7.3 高吞吐量物理層 319
7.3.1 調制、編碼和均衡 319
7.3.2 正交頻分復用和單載波頻域均衡技術的實際應用比較 321
7.3.3 同步和通道估計 330
7.4 面向低復雜性、高效率的物理層 332
7.4.1 頻移鍵控(FSK) 332
7.4.2 開關鍵控和幅移鍵控 333
7.4.3 連續相位調制 333
7.5 未來的物理層考慮 334
7.5.1 超低模數轉換器分辨率 334
7.5.2 空間復用 335
7.6 本章小結 338
第8章 毫米波通信的高層設計 339
8.1 引言 339
8.2 毫米波設備網絡化中的挑戰 339
8.2.1 物理層中的定向天線 339
8.2.2 設備發現 342
8.2.3 碰撞檢測和碰撞避免 343
8.2.4 由於人為阻塞造成的通道可靠性 344
8.2.5 通道利用和空間復用 345
8.3 波束適配協議 346
8.3.1 IEEE 802.15.3c中的波束自適應 347
8.3.2 IEEE 802.11ad中的波束自適應 348
8.3.3 回程線路中的波束自適應 348
8.3.4 通過通道估計進行的波束自適應 349
8.4 覆蓋擴展的中繼 351
8.5 對多媒體傳輸的支持 355
8.6 多頻段的考慮事項 359
8.7 蜂窩網絡的性能 361
8.8 本章小結 365
第9章 毫米波標準化 366
9.1 引言 366
9.2 60 GHz頻段管理 367
9.2.1 國際建議 367
9.2.2 北美規定 367
9.2.3 歐洲規定 368
9.2.4 日本規定 368
9.2.5 韓國規定 369
9.2.6 澳大利亞規定 369
9.2.7 中國規定 369
9.2.8 小結 369
9.3 IEEE 802.15.3c 370
9.3.1 IEEE 802.15.3 MAC 370
9.3.2 IEEE 802.15.3c毫米波的物理層 375
9.4 WirelessHD 396
9.4.1 應用熱點 396
9.4.2 WirelessHD技術規範 397
9.4.3 下一代WirelessHD 399
9.5 ECMA-387 399
9.5.1 ECMA-387中的設備分類 400
9.5.2 ECMA-387中的通道化 400
9.5.3 ECMA-387的MAC及PHY概述 401
9.5.4 ECMA-387中的A類PHY 402
9.5.5 ECMA-387中的B類PHY 404
9.5.6 ECMA-387中的C類PHY 405
9.5.7 ECMA-387第二版 405
9.6 IEEE 802.11ad 405
9.6.1 IEEE 802.11背景 406
9.6.2 IEEE 802.11ad MAC的重要特徵 407
9.6.3 IEEE 802.11ad的定向多吉比特PHY概述 413
9.7 WiGig 421
9.8 本章小結 421
原書參考文獻 422
縮略語表 477