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杜勇著 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121287381

商品编码：29680156907

包装：平装

出版时间：2016-05-01

基本信息

书名：锁相环技术原理及FPGA实现

定价：68.00元

作者：杜勇著

出版社：电子工业出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787121287381

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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着眼工程设计，精解设计实例；分解实现步骤，注重实现细节；完整仿真测试，详细性能分析；提供完整代码，迅速提升实力。

内容提要

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本书从工程应用的角度详细阐述锁相环技术的工作原理，利用MATLAB及System View仿真工具软件讨论典型电路的工作过程。以Altera公司的FPGA为开发平台，以Verilog HDL语言为开发工具，详细阐述锁相环技术的FPGA实现原理、结构、方法，以及仿真测试过程和具体技术细节，主要包括设计平台及开发环境介绍、锁相环跟踪相位的原理、FPGA实现数字信号处理基础、锁相环路模型、一阶环路的FPGA实现、环路滤波器与锁相环特性、二阶环路的FPGA实现、锁相环路性能分析、锁相测速测距的FPGA实现。

目录

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章 设计环境及开发平台介绍 1
1.1 FPGA基础知识 2
1.1.1 基本概念及发展历程 2
1.1.2 FPGA的结构和工作原理 4
1.1.3 FPGA在数字信号处理中的应用 12
1.2 Altera器件简介 12
1.3 Verilog HDL语言简介 15
1.3.1 HDL语言简介 15
1.3.2 Verilog HDL语言特点 16
1.3.3 Verilog HDL程序结构 17
1.4 Quartus II开发套件 18
1.4.1 Quartus II开发套件简介 18
1.4.2 Quartus II软件的用户界面 19
1.5 ModelSim仿真软件 22
1.6 MATLAB软件 24
1.6.1 MATLAB软件介绍 24
1.6.2 MATLAB工作界面 24
1.6.3 MATLAB的特点及优势 25
1.6.4 MATLAB与Quartus的数据交互 27
1.7 SystemView软件 28
1.7.1 SystemView简介 28
1.7.2 SystemView工作界面 29
1.8 小结—欲善其事先利其器 32
第2章 FPGA数字信号处理基础 33
2.1 FPGA中数的表示 34
2.1.1 莱布尼兹与二进制 34
2.1.2 定点数表示 35
2.1.3 浮点数表示 36
2.2 FPGA中数的运算 40
2.2.1 加/减法运算 40
2.2.2 乘法运算 43
2.2.3 除法运算 44
2.2.4 有效数据位的计算 44
2.3 有限字长效应 47
2.3.1 字长效应的产生因素 47
2.3.2 A/D转换的字长效应 48
2.3.3 系统运算中的字长效应 49
2.4 FPGA中的常用处理模块 51
2.4.1 加法器模块 51
2.4.2 乘法器模块 53
2.4.3 除法器模块 56
2.4.4 浮点运算模块 57
2.5 小结—四个过桥人 59
第3章 锁相环为什么能够跟踪相位 61
3.1 锁相环的组成 62
3.1.1 关注信号的相位分量 62
3.1.2 VCO是一个积分器件 63
3.1.3 正弦鉴相器还是余弦鉴相器 65
3.1.4 环路滤波器的作用 68
3.2 从负反馈电路理解锁相环 69
3.2.1 反馈电路的概念 69
3.2.2 负反馈电路的控制作用 70
3.2.3 锁相环与基本负反馈电路的区别 71
3.2.4 分析锁相环的工作状态 72
3.3 简单的锁相环 73
3.3.1 一阶锁相环的SystemView模型 73
3.3.2 确定VCO输出的同相支路 74
3.4 锁相环的基本性能参数 77
3.4.1 捕获及跟踪过程 77
3.4.2 环路的基本性能要求 78
3.5 分析一阶环的基本参数 79
3.5.1 数学方法求解一阶环 79
3.5.2 图解法分析一阶环工作过程 81
3.5.3 工程设计与理论分析的差异 82
3.5.4 遗忘的参数——鉴相滤波器截止频率 85
3.6 小结——千条路与磨豆腐 87
第4章 一阶锁相环的FPGA实现 89
4.1 一阶环的数字化模型 90
4.1.1 工程实例需求 90
4.1.2 数字鉴相器 91
4.1.3 数控振荡器 92
4.1.4 计算环路增益 94
4.2 数字鉴相滤波器设计 95
4.2.1 FIR与IIR滤波器 95
4.2.2 MATLAB滤波器函数 97
4.2.3 FIR滤波器的MATLAB设计 100
4.2.4 量化滤波器系数 102
4.3 Verilog HDL代码风格 105
4.3.1 文件接口声明 105
4.3.2 变量的命名方式 106
4.3.3 模块对齐方式 106
4.3.4 阻塞赋值和非阻塞赋值 107
4.3.5 注释语句 107
4.4 一阶环的Verilog HDL设计 108
4.4.1 新建FPGA工程 108
4.4.2 数字乘法器设计 110
4.4.3 低通滤波器设计 112
4.4.4 数控振荡器设计 115
4.4.5 顶层文件设计 115
4.5 一阶环的ModelSim仿真测试 119
4.5.1 MATLAB生成测试数据 119
4.5.2 编写测试激励文件 120
4.5.3 环路为什么不能锁定 122
4.5.4 继续仿真分析环路性能 125
4.6 小结—科学的方法 127
第5章 从线性方程到环路模型 129
5.1 线性时不变系统 130
5.1.1 线性系统的概念 130
5.1.2 时不变系统的概念 132
5.1.3 为什么研究线性时不变系统 132
5.2 信号的线性分解 133
5.2.1 信号的常用分解方法 133
5.2.2 分析的化身—欧拉 135
5.2.3 “e”是一个函数的极限 137
5.2.4 泰勒、麦克劳林与牛顿 139
5.2.5 上帝创造的公式—欧拉公式 141
5.3 从傅里叶级数到Z变换 142
5.3.1 温室效应的发现者—傅里叶 142
5.3.2 傅里叶级数是一篇美妙的乐章 143
5.3.3 负频率信号是什么信号？ 147
5.3.4 傅氏变换与拉氏变换 151
5.3.5 Z变换—离散时间系统分析工具 153
5.3.6 如何判断系统是否稳定 156
5.4 锁相环路的模型 158
5.5 小结—乔布斯的演讲 160
第6章 环路滤波器决定锁相环特性 163
6.1 简单的环路滤波器—RC滤波器 164
6.1.1 RC低通滤波器的频率特性 164
6.1.2 二阶环路的传输函数 166
6.2 回顾二阶线性电路 167
6.2.1 二阶线性电路与锁相环 167
6.2.2 固有振荡频率与阻尼系数 168
6.2.3 单位阶跃信号的响应分析 169
6.3 RC滤波器二阶环的SystemView仿真 172
6.3.1 RC滤波器锁相环路模型 172
6.3.2 锁定状态与阻尼系数的仿真 174
6.4 反馈环路的稳定性分析 177
6.4.1 系统稳定与锁相环稳定的关系 177
6.4.2 频率特性与环路的稳定 177
6.4.3 伯德图分析方法 179
6.4.4 伯德图分析RC二阶环路的稳定性 180
6.4.5 二阶环路的相位滞后是如何产生的 181
6.4.6 鉴相滤波器的影响 182
6.5 无源比例积分滤波器 184
6.5.1 频率特性 184
6.5.2 环路的传输函数 185
6.5.3 环路稳定性分析及参数设计 186
6.5.4 环路的SystemView仿真 188
6.6 有源比例积分滤波器 189
6.6.1 频率特性 189
6.6.2 环路的传输函数 191
6.6.3 环路稳定性分析及参数设计 193
6.6.4 环路的SystemView仿真 194
6.6.5 为什么稳态相差可以为零 196
6.7 小结—世界上容易的事 198
第7章 二阶环的FPGA实现 199
7.1 依据模拟环设计数字环 200
7.1.1 从模拟到数字——双线性变换 200
7.1.2 环路滤波器的数字化 202
7.1.3 理想二阶环的参数设计 203
7.1.4 理想二阶环的Verilog HDL设计 205
7.2 FPGA实现后的仿真测试 208
7.2.1 环路增益对锁定性能的影响 208
7.2.2 频差对锁定性能的影响 210
7.2.3 环路捕获范围测试 211
7.3 理想二阶环的数字化 213
7.3.1 NCO的数字化模型 213
7.3.2 环路的数字化模型 214
7.4 模拟与数字环路的关联 215
7.4.1 确定环路滤波器系数 215
7.4.2 增益与环路滤波器系数的关系 216
7.4.3 两种系数计算方法比较 216
7.5 小结—芝诺与庄子的哲学 217
第8章 锁相环的性能分析 219
8.1 捕获性能 220
8.1.1 捕获过程 220
8.1.2 捕获带与捕获时间 221
8.1.3 辅助捕获方法 222
8.2 跟踪性能 224
8.2.1 环路的稳态相差 224
8.2.2 环路的频率特性 225
8.2.3 调制跟踪与载波跟踪 228
8.2.4 两种跟踪方式的SystemView仿真 229
8.3 噪声性能 237
8.3.1 噪声情况下的环路模型 237
8.3.2 输出相位噪声方差 240
8.3.3 环路噪声带宽 241
8.3.4 环路信噪比 242
8.4 理想二阶环设计公式 244
8.5 小结—兴趣是好的老师 245
第9章 锁相环解调PSK信号的FPGA实现 247
9.1 PSK调制解调原理 248
9.1.1 PSK调制原理及信号特征 248
9.1.2 PSK信号的MATLAB仿真 249
9.1.3 锁相环解调PSK原理 252
9.2 锁相环路解调参数设计 254
9.2.1 总体性能参数设计 254
9.2.2 下变频乘法器设计 256
9.2.3 下变频低通滤波器设计 257
9.2.4 鉴相乘法器设计 259
9.2.5 数控振荡器设计 260
9.2.6 环路滤波器设计 261
9.3 锁相解调环的Verilog设计 262
9.3.1 顶层文件的Verilog设计 262
9.3.2 鉴相器的Verilog设计 264
9.3.3 环路滤波器的Verilog设计 265
9.4 锁相解调环的仿真测试 266
9.4.1 环路捕获范围测试 266
9.4.2 NCO更新周期对环路增益的影响 267
9.5 小结—渔王的儿子 272
参考文献 274

作者介绍

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杜勇，男，高级工程师，1976年生，硕士学位，毕业于国防科技大学，现工作于酒泉卫星发射中心。承担的项目共计4项，主要方向为无线通信技术的设计与实现，均为项目负责人，主要承担项目总体方案设计、核心算法设计及FPGA实现、硬件电路板的设计等工作。

文摘

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序言

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《高频信号合成与滤波：原理、设计与应用》 内容简介 《高频信号合成与滤波：原理、设计与应用》一书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索现代电子系统中至关重要的两个核心技术：高频信号的精确合成与高效滤波。本书不仅会详细阐述这两项技术背后的基本原理，还将着重介绍其在实际工程设计中的应用方法和关键考量，并辅以丰富的案例分析，帮助读者掌握从理论到实践的完整知识体系。 第一部分：高频信号合成的理论基础与方法 本部分将首先建立读者对高频信号合成基本概念的深刻理解。我们将从最基础的振荡器原理入手，深入剖析LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器等不同类型振荡器的核心工作机制、优缺点及适用场景。在此基础上，本书将详细讲解各种高性能振荡器设计，包括压控振荡器（VCO）的设计细节，如其线性度、调谐范围、相位噪声等关键性能指标的优化策略。读者将学习到如何根据具体应用需求，选择合适的振荡器拓扑结构，并掌握设计过程中需要考虑的诸如元件选择、寄生参数影响、电源抑制比（PSRR）优化等关键技术。 接着，本书将深入探讨频率合成器的核心技术。我们将详细介绍频率合成器的几种主流架构，包括直接数字频率合成（DDS）和锁相环（PLL）频率合成。对于DDS，本书将阐述其基于查找表（LUT）的原理，分析其在分辨率、速度和相位噪声等方面的优势和局限性，并指导读者如何设计和优化DDS系统以满足特定需求。 对于PLL频率合成，本书将以详尽的篇幅进行讲解。我们将首先建立读者对PLL基本闭环控制系统的理解，包括鉴相器（Phase Detector, PD）、电荷泵（Charge Pump, CP）、环路滤波器（Loop Filter, LF）和压控振荡器（VCO）等关键模块的工作原理。本书将深入分析不同类型鉴相器的特性，如跌落式（Ramp）鉴相器、漏斗式（Horn）鉴相器和电荷泵鉴相器，以及它们对整体系统性能的影响。我们将详细推导环路滤波器的设计方程，阐述其对PLL系统稳定性和动态性能的关键作用，并介绍低通滤波器、比例积分（PI）滤波器等常见环路滤波器类型的设计方法，以及如何根据PLL的锁定时间、相位裕度、阻尼系数等指标进行优化。 更重要的是，本书将详细讲解如何将PLL技术应用于实际的高频信号合成场景。我们将探讨压控振荡器（VCO）的详细设计，包括如何选择合适的VCO拓扑（如环形振荡器、LC振荡器），如何处理其调谐电压范围、调谐斜率、非线性等问题，以及如何减小其相位噪声。我们还将深入研究电荷泵（CP）的设计，包括如何提高其电流精度、抑制毛刺效应，以及如何与鉴相器配合优化输出。 本书还将重点关注不同PLL合成架构的应用。我们将详细讲解整数分频PLL和分数分频PLL的设计与实现。对于分数分频PLL，我们将深入剖析其原理，包括如何利用小数分频来实现高分辨率的频率合成，并详细讲解其在噪声抑制和分辨率提升方面的挑战与对策，例如如何处理杂散信号和改进环路滤波器设计。 此外，本书将涵盖一些进阶的频率合成技术，例如低相位噪声振荡器设计，包括通过优化LC谐振回路、选择低噪声元件、采用分立元件设计和微带线设计等方法来降低相位噪声。我们将介绍如何通过适当的布局布线、屏蔽和接地技术来进一步提升振荡器的性能。 第二部分：高频信号滤波器的原理、设计与优化 本部分将聚焦于高频信号滤波技术，揭示其在抑制噪声、隔离干扰、整形信号等方面的关键作用。我们将从基本的滤波器分类入手，介绍低通、高通、带通、带阻等基本滤波器类型，并详细讲解其在频域和时域上的响应特性。 本书将深入阐述无源滤波器和有源滤波器的设计原理。对于无源滤波器，我们将详细讲解LC滤波器和RC滤波器的设计方法，包括元件选择、插入损耗、阻抗匹配等关键问题。对于有源滤波器，我们将重点分析运算放大器（Op-amp）在滤波器设计中的应用，详细讲解Sallen-Key、MFB（Multiple Feedback）等经典有源滤波器拓扑结构，以及如何利用运算放大器的增益和带宽特性来设计高性能的有源滤波器，并探讨其在解决阻抗匹配、信号衰减等问题上的优势。 在滤波器的设计方法方面，本书将详细介绍几种重要的滤波器设计理论。我们将深入讲解巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和贝塞尔（Bessel）等滤波器的设计。读者将学习如何根据对通带平坦度、阻带衰减和过渡带陡峭度的不同要求，选择最适合的设计类型，并掌握计算滤波元件值和阶数的方法。 本书还将深入探讨高品质因数（Q值）滤波器的设计和应用。我们将分析高Q值滤波器在窄带信号选择和噪声抑制方面的优势，并介绍其设计中的挑战，例如元件损耗、寄生效应等。 随着信号处理要求的不断提高，数字滤波技术也越来越受到重视。本书将介绍数字滤波器的基本原理，包括FIR（Finite Impulse Response）和IIR（Infinite Impulse Response）两种主要类型的数字滤波器。我们将讲解数字滤波器设计中的采样率、量化误差、稳定性等重要概念，并介绍如何通过软件算法实现高精度、灵活的滤波功能。 第三部分：高频信号合成与滤波的工程应用 本部分将把前两部分所学理论知识融会贯通，通过一系列具体的工程应用案例，展示高频信号合成与滤波技术在实际系统中的集成与实现。 1. 无线通信系统中的应用：我们将深入分析锁相环和滤波器在高频振荡器、频率合成器、中频（IF）滤波器、射频（RF）前端滤波等方面的关键作用。例如，我们将探讨如何在手机、基站等设备中实现精确的射频信号生成与干扰抑制。 2. 仪器仪表与测试测量中的应用：本书将详细介绍高精度信号源、频谱分析仪、示波器等测试测量仪器中，如何利用复杂的频率合成技术生成各种测试信号，并通过精密的滤波器对信号进行处理和分析。 3. 雷达与电子战系统中的应用：我们将分析在这些对信号性能要求极高的系统中，如何利用先进的频率合成技术实现宽带、高频段的信号生成，以及如何通过高性能滤波器来提高雷达的探测精度和电子战系统的抗干扰能力。 4. 医疗电子与工业控制中的应用：本书还将介绍信号合成与滤波在超声成像、MRI等医疗设备以及各种自动化控制系统中的应用，例如如何生成特定频率的超声波、如何对传感器信号进行滤波处理以提高测量精度。 第四部分：设计挑战与前沿技术 在完成对基本原理和工程应用的深入探讨后，本书将进一步关注高频信号合成与滤波设计中面临的挑战，并介绍一些前沿的技术发展。 1. 降低相位噪声与杂散信号：我们将深入分析相位噪声的产生机制，并提供多种降低相位噪声的有效方法，包括优化振荡器设计、选择低噪声元件、采用巧妙的环路滤波器设计等。同时，我们也将探讨如何有效抑制PLL系统中的杂散信号，以确保信号的纯净度。 2. 提升系统集成度与功耗优化：随着电子设备的小型化和便携化需求日益增长，本书将探讨如何在有限的物理空间内实现高集成度的信号合成与滤波电路，并重点关注功耗优化策略，例如采用低功耗元件、设计高效的电源管理方案等。 3. 新型滤波器技术：我们将介绍一些新兴的滤波器技术，例如MEMS滤波器、SAW滤波器、BAW滤波器等，并分析它们在高频应用中的优势和发展前景。 4. 软件定义无线电（SDR）与人工智能在信号处理中的融合：本书将探讨软件定义无线电如何通过灵活的数字信号处理技术实现高度可配置的信号合成与滤波，并展望人工智能在信号分析、优化和预测性维护等方面的潜力。 《高频信号合成与滤波：原理、设计与应用》一书的编写，力求做到理论严谨、技术前沿、案例丰富，旨在为电子工程师、通信工程师、仪器仪表工程师以及相关专业的研究生提供一本权威、实用的参考书。通过阅读本书，读者将能够深刻理解高频信号合成与滤波的核心技术，掌握实际工程设计中的关键方法，并能够应对当前和未来电子系统设计中的挑战。

评分☆☆☆☆☆

拿到书本后，我立刻翻阅了目录结构，给我留下最深刻印象的是其章节布局的合理性。它似乎采用了循序渐进的方式，从最基础的反馈控制系统概念讲起，逐步过渡到PLL的各个组成部分的精细解析。我特别关注了其中关于“非线性特性对环路性能的影响”这一块，因为在实际高频设计中，晶体管的非线性、量化噪声等因素往往是导致性能瓶颈的关键。如果这本书能够深入探讨如何通过设计技巧（比如采用特定的鉴相器结构或先进的环路滤波器拓扑）来抑制这些非线性失真，那它的价值就不仅仅是入门级别了，而是可以作为进阶参考手册。此外，对于FPGA实现部分，我希望它不仅仅是展示如何调用IP核，更重要的是能剖析这些IP核背后的设计思想。例如，为什么在Xilinx或Intel的FPGA中，特定的PLL结构在速度和相位噪声上会有差异？这种对底层架构的揭示，才是真正体现一本书深度的地方，它能帮助读者建立起对整个数字频率合成系统的整体认知框架，而不是仅仅停留在“会用”的层面。

评分☆☆☆☆☆

关于性能指标的量化和对比，是我评估任何EE类书籍深度的重要标尺。锁相环的优劣往往是通过相位噪声掩模、RMS抖动值、锁定时间等具体参数来衡量的。我非常期待看到书中对不同设计参数组合如何影响这些关键指标的详细实验数据或仿真结果。例如，当环路带宽增加一倍时，相位噪声在特定频率处的衰减情况是如何变化的？如果能提供一个章节专门用于“设计优化案例分析”，比如针对特定应用（如无线通信基带同步或高性能ADC的时钟源）的PLL设计案例，并对比其性能指标的优劣，那就再好不过了。这种基于实际数据和对比分析的论述，远比空泛的理论描述来得有力，它能帮助读者在实际工作中做出明智的设计决策，避免陷入“黑盒”操作的误区。一本真正深入的书，一定会用量化的证据来支撑其设计理念。

评分☆☆☆☆☆

从一个长期从事嵌入式系统开发的视角来看，这本书的实用性是首要考量的标准。很多教科书在理论上完美无瑕，但在实际的芯片资源约束下，它们的理论模型往往需要大量的工程妥协。我非常好奇这本书是如何处理“资源受限”和“时序收敛”这两大工程难题的。例如，当需要设计一个跨越多个时钟域且对相位噪声要求极高的系统时，书中所提供的FPGA实现方案是否考虑了时钟域交叉（CDC）的同步问题？另外，如果它能提供关于如何使用仿真工具（如ModelSim或Vivado Simulator）对搭建的PLL进行噪声和相位裕度仿真，那将是一个巨大的加分项。因为在硬件实现之前，精确的仿真验证是确保系统稳定运行的生命线。我期待看到的是一套完整的、可追溯的设计流程：从规格定义到系统级仿真，再到RTL编码，最后到FP门级仿真和板级调试的经验分享，这才能称得上是真正的“原理及实现”的完整体现。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，虽然是技术手册，但也透露出一种对知识传递的耐心。我注意到有些技术书籍的作者习惯使用过于晦涩的术语，导致阅读体验不佳，尤其是在解释复杂的数学公式时。我希望这本关于锁相环的书能够采用一种更加平易近人的方式来阐述诸如“一阶/二阶环路对阶跃响应的影响”或“环路带宽与锁定时间之间的权衡”这些核心概念。如果能用类比或者图形化的方式来辅助理解，即使是初次接触控制理论的电子工程学生，也能快速建立起直观感受。对于FPGA代码的注释和规范性也同样重要，清晰的命名约定和模块化的代码结构，不仅方便读者理解当前的实现逻辑，也为读者后续根据自身需求修改和扩展代码提供了良好的基础。一个优秀的教程，其价值不应仅在于传授知识点，更在于教会学习者如何像一个工程师一样去思考和解决问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得相当专业，字体和排版都透露出一种严谨的技术气息，虽然我还没深入阅读，但光从包装就能感受到它在内容深度上的追求。我一直在寻找一本能够系统梳理锁相环（PLL）核心理论，同时又紧密结合现代硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行实际FPGA工程实现的参考书。市面上很多资料要么过于偏重理论推导，让初学者望而却步，要么就是只停留在简单的代码示例层面，缺乏对整个设计流程和底层物理实现机制的深入剖析。我期望这本书能成为连接理论与实践的桥梁，用清晰的逻辑串联起振荡器、鉴相器、环路滤波器这些关键模块的工作原理，并详细展示如何利用FPGA资源（如DCM/MMCM的内部结构或通过逻辑单元手动搭建PLL）来实现频率合成和时钟管理功能。特别是对于那些想深入理解高精度频率控制、抖动分析以及如何优化环路参数以适应不同应用场景（如通信、高速数据采集）的工程师来说，一本涵盖这些高级主题的权威教材是至关重要的。从书名来看，它似乎正是瞄准了这个需求，希望它能提供详实的数学模型和可操作的硬件描述代码，而非仅仅是概念的罗列。