數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容介紹

內(nèi)容簡介

本書從工程設(shè)計的角度對數(shù)字通信系統(tǒng)進行了全面論述。內(nèi)容包括概率

論基礎(chǔ)、信道噪聲、信源編碼、信道編碼、檢測理論、定時、基帶傳輸、幅度調(diào)

制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制以及保密通信和計算機通信網(wǎng)。書中專設(shè)一章討論工

程設(shè)計。各章給出許多數(shù)據(jù)、圖表，所以本書對工程設(shè)計人員有較大的參考價

值。

本書敘述由淺入深，既適宜于工程設(shè)計人員閱讀，也適宜于通信、遙測、

遙控以及相關(guān)專業(yè)的大學生、研究生閱讀。

本書是數(shù)字通信領(lǐng)域一本優(yōu)秀的經(jīng)典教材，既論述了數(shù)字通信的基本理論，又對數(shù)字通信新技術(shù)進行了比較深入的分析。本書采用信號空間、隨機過程的級數(shù)展開和等效低通等分析方法，根據(jù)最佳接收準則，先后討論并分析了在加性高斯白噪聲(AWGN)信道、帶限信道(有符號間干擾和加性噪聲)以及多徑衰落信道等三種基本的典型信道條件下的數(shù)字信號可靠且高效傳輸及其最佳接收問題。從信號傳輸角度主要介紹了通信信號、數(shù)字調(diào)制、自適應(yīng)均衡、多天線系統(tǒng)和最佳接收等內(nèi)容;從信息傳輸角度介紹了信息論基礎(chǔ)、信道容量和信道編碼等內(nèi)容。

數(shù)字通信是用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息，或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。它可傳輸電報、?shù)字數(shù)據(jù)等數(shù)字信號，也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語聲和圖像等模擬信號。

第1章 緒論 1

1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分 1

1.2 通信信道及其特征 2

1.3 通信信道的數(shù)學模型 6

1.4 數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望 8

1.5 本書概貌 10

1.6 文獻注釋與參考資料 10

第2章 確定與隨機信號分析 11

2.1 帶通與低通信號的表示 12

2.1.1 帶通與低通信號 12

2.1.2 帶通信號的等效低通 14

2.1.3 能量考慮 16

2.1.4 帶通系統(tǒng)的等效低通 18

2.2 波形的信號空間表示 18

2.2.1 矢量空間概念 19

2.2.2 信號空間概念 20

2.2.3 信號的正交展開 21

2.2.4 格拉姆-施密特(Gram-Schmidt)過程 23

2.3 某些有用的隨機變量 28

2.4 尾部概率的邊界 41

2.5 隨機變量總和極限定理 45

2.6 復(fù)隨機變量 45

2.6.1 復(fù)隨機矢量 46

2.7 隨機過程 48

2.7.1 廣義平穩(wěn)隨機過程 48

2.7.2 循環(huán)平穩(wěn)隨機過程 50

2.7.3 本征與環(huán)隨機過程 51

2.7.4 馬爾可夫鏈 51

2.8 隨機過程的級數(shù)展開 53

2.8.1 帶限隨機過程的抽樣定理 53

2.8.2 K-L(Karhunen-Loève)展開式 55

2.9 帶通和低通隨機過程 56

2.10 文獻注釋與參考資料 59

習題 59

第3章 數(shù)字調(diào)制方法 68

3.1 數(shù)字調(diào)制信號的表示 68

3.2 無記憶調(diào)制方法 69

3.2.1 脈沖幅度調(diào)制(PAM) 70

3.2.2 相位調(diào)制 72

3.2.3 正交幅度調(diào)制 74

3.2.4 多維信號傳輸 76

3.3 有記憶信號傳輸方式 81

3.3.1 連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK) 82

3.3.2 連續(xù)相位調(diào)制(CPM) 83

3.4 數(shù)字調(diào)制信號的功率譜 91

3.4.1 有記憶數(shù)字調(diào)制信號的功率譜密度 92

3.4.2 線性調(diào)制信號的功率譜密度 93

3.4.3 有限記憶數(shù)字調(diào)制信號的功率譜密度 95

3.4.4 馬爾可夫結(jié)構(gòu)調(diào)制方式的功率譜密度 95

3.4.5 CPFSK和CPM信號的功率譜密度 97

3.5 文獻注釋與參考資料 103

習題 104

第4章 AWGN信道的最佳接收機 112

4.1 波形與矢量信道的模型 112

4.1.1 一般矢量信道的最佳檢測 113

4.2 波形與矢量AWGN信道 116

4.2.1 矢量AWGN信道的最佳檢測 118

4.2.2 AWGN信道最佳接收機的實現(xiàn) 123

4.2.3 最大似然檢測錯誤概率的一致邊界 127

4.3 帶限信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 130

4.3.1 ASK或PAM信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 131

4.3.2 PSK信號傳輸方式的最佳檢測和錯誤概率 132

4.3.3 QAM信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 135

4.3.4 解調(diào)與檢測 138

4.4 功限信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 140

4.4.1 正交信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 140

4.4.2 雙正交信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 143

4.4.3 單純信號傳輸?shù)淖罴褭z測和錯誤概率 144

4.5 不確定情況下的最佳檢測:非相干檢測 144

4.5.1 載波調(diào)制信號的非相干檢測 146

4.5.2 FSK調(diào)制信號的最佳非相干檢測 148

4.5.3 正交信號傳輸非相干檢測的錯誤概率 148

4.5.4 相關(guān)二進制信號包絡(luò)檢測的錯誤概率 151

4.5.5 差分PSK(DPSK) 152

4.6 數(shù)字信號傳輸方法的比較 155

4.7 格和基于格的星座圖 157

4.7.1 格的介紹 158

4.7.2 基于格的信號星座圖 162

4.8 有記憶信號傳輸方式的檢測 166

4.8.1 最大似然序列檢測器 166

4.9 CPM信號的最佳接收機 168

4.9.1 CPM的最佳解調(diào)和檢測 169

4.9.2 CPM信號的性能 172

4.9.3 CPM信號的次最佳解調(diào)和檢測 176

4.10 有線和無線通信系統(tǒng)的性能分析 177

4.10.1 再生中繼器 177

4.10.2 無線通信系統(tǒng)中鏈路預(yù)算分析 178

4.11 文獻注釋與參考資料 180

習題 181

第5章 載波和符號同步 198

5.1 信號參數(shù)估計 198

5.1.1 似然函數(shù) 199

5.1.2 信號解調(diào)中的載波恢復(fù)與符號同步 199

5.2 載波相位估計 201

5.2.1 最大似然載波相位估計 202

5.2.2 鎖相環(huán) 204

5.2.3 加性噪聲對相位估計的影響 205

5.2.4 面向判決環(huán) 207

5.2.5 非面向判決環(huán) 211

5.3 符號定時估計 216

5.3.1 最大似然定時估計 216

5.3.2 非面向判決定時估計 217

5.4 載波相位和符號定時的聯(lián)合估計 220

5.5 最大似然估計器的性能特征 222

5.6 文獻注釋與參考資料 224

習題 224

第6章 信息論基礎(chǔ) 227

6.1 信源的數(shù)學模型 227

6.2 信息的對數(shù)度量 228

6.3 信源的無損編碼 230

6.3.1 無損信源編碼定理 231

6.3.2 無損編碼算法 233

6.4 有損數(shù)據(jù)壓縮 239

6.4.1 連續(xù)隨機變量的熵和互信息 240

6.4.2 率失真函數(shù) 241

6.5 信道模型和信道容量 244

6.5.1 信道模型 244

6.5.2 信道容量 247

6.6 用正交信號集獲取信道容量 253

6.7 信道可靠性函數(shù) 254

6.8 信道截止速率 255

6.8.1 Bhattacharyya界和Chernov界 256

6.8.2 隨機編碼 257

6.9 文獻注釋與參考資料 261

習題 261

第7章 線性分組碼 275

7.1 基本定義 275

7.1.1 有限域的結(jié)構(gòu) 277

7.1.2 矢量空間 282

7.2 線性分組碼的一般性質(zhì) 282

7.2.1 生成矩陣和校驗矩陣 283

7.2.2 線性分組碼的重量與距離特性 284

7.2.3 重量分布多項式 285

7.2.4 線性分組碼的差錯概率 287

7.3 一些特殊的線性分組碼 288

7.3.1 重復(fù)碼 289

7.3.2 漢明碼 289

7.3.3 最大長度碼 289

7.3.4 Reed-Muller碼 289

7.3.5 哈達瑪碼 290

7.3.6 高萊碼 291

7.4 線性分組碼的最佳軟判決譯碼 291

7.5 線性分組碼的硬判決譯碼 295

7.5.1 分組碼的檢錯和糾錯能力 297

7.5.2 硬判決譯碼的碼組和比特差錯概率 298

7.6 硬判決與軟判決譯碼的性能比較 300

7.7 線性分組碼最小距離的邊界 302

7.7.1 辛格爾頓界 303

7.7.2 漢明界 303

7.7.3 普洛特金界 304

7.7.4 埃利斯界 305

7.7.5 McEliece-Rodemich-Rumsey-Welch(MRRW)界 305

7.7.6 烏沙莫夫吉爾伯特界 305

7.8 修改的線性分組碼 306

7.8.1 縮短和伸長 306

7.8.2 刪余和擴展 307

7.8.3 刪信和增廣 308

7.9 循環(huán)碼 308

7.9.1 循環(huán)碼定義和基本性質(zhì) 308

7.9.2 系統(tǒng)循環(huán)碼 312

7.9.3 循環(huán)碼編碼器 314

7.9.4 循環(huán)碼的譯碼 315

7.9.5 循環(huán)碼實例 317

7.10 BCH碼 319

7.10.1 BCH碼的結(jié)構(gòu) 319

7.10.2 BCH碼譯碼 322

7.11 里德-所羅門碼 324

7.12 突發(fā)差錯信道的編碼 327

7.13 組合碼 328

7.13.1 乘積碼 328

7.13.2 級聯(lián)碼 329

7.14 文獻注釋與參考資料 331

習題 332

第8章 基于網(wǎng)格和圖形的編碼 338

8.1 卷積碼的結(jié)構(gòu) 338

8.1.1 樹、網(wǎng)格和狀態(tài)圖 341

8.1.2 卷積碼的轉(zhuǎn)移函數(shù) 344

8.1.3 系統(tǒng)的、非遞歸的和遞歸的卷積碼 347

8.1.4 卷積編碼器的逆與惡性碼 348

8.2 卷積碼的譯碼 350

8.2.1 卷積碼的最大似然譯碼--維特比算法 350

8.2.2 卷積碼最大似然譯碼的差錯概率 352

8.3 二進制卷積碼的距離特性 354

8.4 刪余卷積碼 357

8.4.1 碼率兼容的刪余卷積碼 359

8.5 卷積碼的其他譯碼算法 361

8.6 卷積碼應(yīng)用的實際考慮 366

8.7 非二進制的雙k碼和級聯(lián)碼 369

8.8 卷積碼的最大后驗概率譯碼--BCJR算法 372

8.9 Turbo碼和迭代譯碼 378

8.9.1 Turbo碼的性能限 378

8.9.2 Turbo碼的迭代譯碼 380

8.9.3 迭代譯碼的EXIT圖研究 382

8.10 因子圖與和-積算法 384

8.10.1 Tanner圖 384

8.10.2 因子圖 386

8.10.3 和-積算法 387

8.10.4 利用和-積算法的MAP譯碼 389

8.11 低密度奇偶校驗碼LDPC 390

8.11.1 LDPC譯碼 392

8.12 帶限信道的編碼--網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM 392

8.12.1 格和網(wǎng)格編碼調(diào)制 401

8.12.2 Turbo編碼的高帶寬效率調(diào)制 402

8.13 文獻注釋與參考資料 404

習題 405

第9章 通過帶限信道的數(shù)字通信 410

9.1 帶限信道的特征 410

9.2 帶限信道的信號設(shè)計 413

9.2.1 無符號間干擾的帶限信號的設(shè)計--奈奎斯特準則 415

9.2.2 具有受控ISI的帶限信號設(shè)計--部分響應(yīng)信號 418

9.2.3 對受控ISI的數(shù)據(jù)檢測 421

9.2.4 有失真信道的信號設(shè)計 425

9.3 有ISI和AWGN信道的最佳接收機 428

9.3.1 最佳最大似然接收機 428

9.3.2 具有ISI信道的離散時間模型 430

9.3.3 離散時間白噪聲濾波器模型的維特比算法 432

9.3.4 具有ISI信道的MLSE性能 434

9.4 線性均衡 441

9.4.1 峰值失真準則 441

9.4.2 均方誤差(MSE)準則 445

9.4.3 MSE均衡器的性能特征 448

9.4.4 分數(shù)間隔均衡器 451

9.4.5 基帶和帶通線性均衡器 454

9.5 判決反饋均衡器 455

9.5.1 系數(shù)最佳化 456

9.5.2 DFE的性能特征 457

9.5.3 預(yù)測判決反饋均衡器 459

9.5.4 發(fā)送機的均衡--Tomlinson-Harashima 預(yù)編碼 461

9.6 降低復(fù)雜性的ML檢測器 462

9.7 迭代均衡和譯碼--Turbo均衡 464

9.8 文獻注釋與參考資料 465

習題 466

第10章 自適應(yīng)均衡 477

10.1 自適應(yīng)線性均衡 477

10.1.1 迫零算法 477

10.1.2 LMS算法 478

10.1.3 LMS算法的收斂特性 481

10.1.4 由有噪梯度估計值引起的過剩MSE 482

10.1.5 加速LMS算法的初始收斂速率 484

10.1.6 自適應(yīng)分數(shù)間隔均衡器--抽頭泄漏算法 486

10.1.7 用于ML序列檢測的自適應(yīng)信道估計器 487

10.2 自適應(yīng)判決反饋均衡器 489

10.3 網(wǎng)格編碼信號的自適應(yīng)均衡 490

10.4 自適應(yīng)均衡的遞推最小二乘算法 492

10.4.1 遞推最小二乘(卡爾曼)算法 493

10.4.2 線性預(yù)測和格型濾波器 496

10.5 自恢復(fù)(盲)均衡 500

10.5.1 基于最大似然準則的盲均衡 500

10.5.2 隨機梯度算法 503

10.5.3 基于二階和高階信號統(tǒng)計量的盲均衡算法 507

10.6 文獻注釋與參考資料 508

習題 509

第11章 多信道和多載波系統(tǒng) 512

11.1 在AWGN信道中的多信道數(shù)字通信 512

11.1.1 二進制信號 514

11.1.2 M元正交信號 515

11.2 多載波通信 516

11.2.1 單載波和多載波調(diào)制 517

11.2.2 非理想線性濾波器信道的容量 517

11.2.3 正交頻分復(fù)用(OFDM) 518

11.2.4 OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào) 519

11.2.5 OFDM系統(tǒng)的FFT算法實現(xiàn) 521

11.2.6 多載波信號的譜特征 523

11.2.7 多載波調(diào)制中的比特和功率的分配 525

11.2.8 多載波調(diào)制中的峰均比 527

11.2.9 多載波調(diào)制中的信道編碼的考慮 528

11.3 文獻注釋與參考資料 528

習題 529

第12章 數(shù)字通信用擴頻信號 531

12.1 擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 532

12.2 直接序列擴頻信號 533

12.2.1 譯碼器的差錯率性能 535

12.2.2 DS擴頻信號的一些應(yīng)用 542

12.2.3 脈沖干擾對DS擴頻系統(tǒng)的影響 545

12.2.4 DS擴頻系統(tǒng)中窄帶干擾的刪除 550

12.2.5 PN序列的生成 554

12.3 跳頻擴頻信號 558

12.3.1 AWGN信道中的FH擴頻信號的性能 560

12.3.2 部分頻帶干擾下FH擴頻信號的性能 561

12.3.3 基于FH 擴頻信號的CDMA系統(tǒng) 566

12.4 其他類型的擴頻信號 567

12.5 擴頻系統(tǒng)的同步 568

12.6 文獻注釋與參考資料 572

習題 574

第13章 衰落信道I:信道特征與信號傳輸 578

13.1 多徑衰落信道的特征 578

13.1.1 信道相關(guān)函數(shù)和功率譜 580

13.1.2 衰落信道的統(tǒng)計模型 584

13.2 信號特征對信道模型選擇的影響 587

13.3 頻率非選擇性慢衰落信道 588

13.4 多徑衰落信道的分集技術(shù) 591

13.4.1 二進制信號 592

13.4.2 多相信號 597

13.4.3 M元正交信號 598

13.5 頻率選擇性慢衰落信道中的信號傳輸:RAKE解調(diào)器 603

13.5.1 抽頭延遲線信道模型 603

13.5.2 RAKE解調(diào)器 604

13.5.3 RAKE解調(diào)器的性能 606

13.5.4 符號間干擾信道的接收機結(jié)構(gòu) 612

13.6 多載波調(diào)制(OFDM) 613

13.6.1 多普勒擴展引起的OFDM系統(tǒng)性能的減損 614

13.6.2 OFDM系統(tǒng)中ICI的抑制 617

13.7 文獻注釋與參考資料 618

習題 618

第14章 衰落信道II:容量與編碼 624

14.1 衰落信道的容量 625

14.1.1 有限狀態(tài)信道的容量 627

14.2 遍歷與中斷容量 628

14.2.1 瑞利衰落信道的遍歷容量 629

14.2.2 瑞利衰落信道的中斷容量 634

14.3 衰落信道的編碼 637

14.4 衰落信道中編碼系統(tǒng)的性能 638

14.4.1 全交織信道模型的編碼 638

14.5 衰落信道的網(wǎng)格編碼調(diào)制 645

14.5.1 衰落信道的TCM系統(tǒng) 645

14.5.2 多重網(wǎng)格編碼調(diào)制(MTCM) 647

14.6 比特交織編碼調(diào)制 649

14.7 頻率域編碼 654

14.7.1 線性二進制分組碼軟判決譯碼的差錯概率 654

14.7.2 線性分組碼硬判決譯碼的差錯概率 656

14.7.3 用于瑞利衰落信道的卷積碼性能的上邊界 656

14.7.4 衰落信道中恒重碼和級聯(lián)碼的應(yīng)用 658

14.8 衰落信道的信道截止速率 663

14.8.1 接收機具有CSI的全交織衰落信道的信道截止速率 663

14.9 文獻注釋與參考資料 665

習題 666

第15章 多天線系統(tǒng) 669

15.1 多天線系統(tǒng)的信道模型 669

15.1.1 慢衰落頻率非選擇性MIMO信道中的信號傳輸 670

15.1.2 MIMO系統(tǒng)中數(shù)據(jù)符號檢測 671

15.1.3 通過慢衰落頻率選擇性MIMO信道的信號傳輸 675

15.2 MIMO信道的容量 680

15.2.1 數(shù)學準備知識 680

15.2.2 頻率非選擇性確定性MIMO信道的容量 681

15.2.3 頻率非選擇性遍歷隨機MIMO信道的容量 682

15.2.4 中斷容量 684

15.2.5 發(fā)送機知道信道時MIMO信道的容量 685

15.3 擴頻信號與多碼傳輸 687

15.3.1 正交擴頻序列 687

15.3.2 復(fù)用增益與分集增益 690

15.3.3 多碼MIMO系統(tǒng) 691

15.4 MIMO信道的編碼 694

15.4.1 瑞利衰落信道中時間編碼SISO系統(tǒng)的性能 694

15.4.2 MIMO信道的比特交織時間編碼 696

15.4.3 MIMO信道的空時分組碼 698

15.4.4 空時碼的成對差錯概率 704

15.4.5 MIMO信道的空時網(wǎng)格碼 705

15.4.6 級聯(lián)空時碼和Turbo碼 707

15.5 文獻注釋與參考資料 708

習題 709

第16章 多用戶通信 714

16.1 多址技術(shù) 714

16.2 多址方式的容量 716

16.3 CDMA系統(tǒng)的多用戶檢測 719

16.3.1 CDMA信號與信道模型 719

16.3.2 最佳多用戶接收機 720

16.3.3 次最佳檢測器 724

16.3.4 連續(xù)干擾抵消 728

16.3.5 其他類型的多用戶檢測器 729

16.3.6 檢測器的性能特征 730

16.4 廣播信道的多用戶MIMO系統(tǒng) 732

16.4.1 發(fā)送信號的線性預(yù)編碼 733

16.4.2 發(fā)送信號的非線性預(yù)編碼--QR分解 735

16.4.3 非線性矢量預(yù)編碼 739

16.4.4 預(yù)編碼的格壓縮技術(shù) 741

16.5 隨機接入方式 743

16.5.1 ALOHA系統(tǒng)和協(xié)議 743

16.5.2 載波偵聽系統(tǒng)和協(xié)議 746

16.6 文獻注釋和參考資料 749

習題 750

附錄A 矩陣 755

A.1 矩陣的特征值和特征矢量 755

A.2 奇異值分解 756

A.3 矩陣的范數(shù)和條件數(shù) 757

A.4 Moore-Penrose偽逆 758

附錄B 多信道二進制信號的差錯概率 759

附錄C M相信號自適應(yīng)接收的錯誤概率 763

C.1 M相信號通信系統(tǒng)的數(shù)學模型 763

C.2 相位 的特征函數(shù)和概率密度函數(shù) 764

C.3 瑞利慢衰落信道的差錯概率 766

C.4 時不變與賴斯衰落信道的差錯概率 769

附錄D 平方根分解 771

參考文獻與資料 773

中英文人名對照表 806

詞匯表 812

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點:

(1) 抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。

(2) 可以用再生中繼，傳輸距離長。

(3) 適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。

(4) 容易實現(xiàn)高強度的保密通信。

(5) 數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實現(xiàn)小型化、微量化，增強設(shè)備可靠性，降低成本。

數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點:

(1) 占用頻帶比較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。

(2) 對非線性失真不敏感

(3) 在通信全程中，即使有多次中繼、失真(包括線性失真和非線性失真)和噪音也不會累積

(4) 對光源的線性要求和接收信噪比的要求都不高

(5) 適合長距離、大容量和高質(zhì)量的信息傳輸