基本介紹
內容簡介
《數字通信理論與系統》對通信系統結構和信號處理方法的描述，儘可能採用複數域數位訊號處理方式；對於一些重要概念和學術思想，特別是作者所提出的新方法和新觀點，都有數學推導或證明，因而便於讀者深入理解、引伸擴展和靈活運用。
作者簡介
易克初，IEEE會員、IEICE會員、中國電子學會高級會員、全國信號處理學會委員、西安電子科技大學通信工程學院學術委員會委員。
圖書目錄
第1章緒論（1）
1.1信息化社會中的數字通信（1）
1.2通信系統和通信信道（1）
1.2.1通信系統的基本結構（1）
1.2.2通信信道（2）
1.3通信數位化（4）
1.4本書的主要內容和教學方法（5）
第2章數字通信的數學基礎（6）
2.1信號（6）
2.2信號的空間表示（7）
2.2.1信號的複數形式表示（7）
2.2.2帶通線性系統的複數形式描述（9）
2.2.3矢量及其內積空間（9）
2.2.4矩陣（11）
2.2.5連續波信號的空間表示（14）
2.3描述信號和系統最常用的兩種正交變換（16）
2.3.1傅立葉變換（16）
2.3.2Z變換（18）
2.4隨機變數及其統計特性（19）
2.4.1隨機變數及其函式的機率分布（19）
2.4.2隨機變數的統計特性（20）
2.4.3隨機變數的特徵函式（22）
2.4.4隨機變數截尾機率的上界（22）
2.4.5中心極限定理（23）
2.4.6一些重要隨機變數的機率分布（23）
2.5隨機過程（28）
2.5.1隨機過程及其平穩性（28）
2.5.2高斯分布隨機過程（29）
2.5.3循環平穩過程（30）
2.5.4帶通隨機信號的描述（31）
2.5.5非平穩過程的分析與表示（32）
習題（34）
第3章通信信源與信源編碼（36）
3.1信源概述（36）
3.1.1信源的分類及其基本特性（36）
3.1.2連續信號的離散化——採樣定理（36）
3.2信息的度量和信源熵（39）
3.2.1信息量的度量（39）
3.2.2信源熵（40）
3.3離散信源信息的編碼（41）
3.3.1定長編碼（41）
3.3.2變長編碼（41）
3.3.3Huffman編碼算法（42）
3.3.4Lempel—Ziv編碼算法（43）
3.4無記憶序列的壓縮編碼（45）
3.4.1率失真函式（45）
3.4.2採樣信號的量化編碼（46）
3.4.3矢量量化（47）
3.5有記憶序列的壓縮編碼（49）
3.5.1線性預測編碼（50）
3.5.2有記憶序列的其他編碼方法（54）
習題（55）
第4章數字調製及基帶傳輸技術（57）
4.1傳輸符號的形成和矢量表示（57）
4.1.1數字基帶傳輸的碼型設計（57）
4.1.2用矢量表示符號（60）
4.2基帶調製（60）
4.2.1基帶調製與基帶傳輸（60）
4.2.2實現無碼間干擾傳輸的成形波設計（62）
4.2.3成形波函式的平移正交性（64）
4.2.4碼間干擾受控的波形成形技術（66）
4.3載波調製（70）
4.4常用的數字調製方式（71）
4.4.1數字調製的描述（71）
4.4.2無記憶數字調製（73）
4.4.3有記憶線性調製（77）
4.4.4有記憶非線性調製（78）
4.5數字調製信號的功率譜（84）
4.5.1線性調製信號的功率譜（84）
4.5.2連續相位調製信號的功率譜（85）
習題（87）
第5章AWGN信道下的數字解調（89）
5.1數字解調的分解描述（89）
5.1.1載波解調（89）
5.1.2基帶解調（91）
5.1.3符號判決（93）
5.1.4有記憶線性調製信號的解調和最佳檢測（96）
5.2無記憶調製方式傳輸的誤碼特性（98）
5.2.1相干解調器誤碼特性的一種通用計算方法（98）
5.2.2M元PAM調製方式及其誤碼特性（101）
5.2.3MPSK調製的誤碼特性（102）
5.2.4DPSK調製信號的解調及其誤碼特性（104）
5.2.5M元正交波形調製的誤碼特性（106）
5.2.6QAM調製的誤碼特性（111）
5.2.7APSK調製的誤碼特性（112）
5.2.8各種數字調製方式的性能比較（112）
5.3連續相位調製信號的解調與檢測（113）
5.3.1連續相位調製信號的特點（113）
5.3.2連續相位調製信號解調檢測過程的分解描述（114）
5.3.3連續相位調製信號解調判決的Viterbi算法（115）
5.3.4連續相位調製的性能（116）
習題（116）
第6章載波跟蹤與符號同步（118）
6.1載波同步誤差與符號同步誤差的估計（118）
6.1.1載波同步誤差與符號同步誤差的影響（118）
6.1.2兩種參數估計方法（119）
6.1.3最佳估計的性能特點（121）
6.1.4載波頻率與相位的估計（121）
6.2數字解調中的載波同步技術（125）
6.2.1模擬鎖相環（125）
6.2.2數字鎖相環（127）
6.2.3數字鎖相環的閉環回響及參數設計（129）
6.2.4數字鎖相環的性能（131）
6.2.5數字鎖頻環（132）
6.3符號定時同步（135）
6.3.1引言（135）
6.3.2最大似然定時誤差估計及符號定時同步環（135）
6.3.3數字式符號定時同步環（137）
6.3.4基於可變群延遲濾波器的高精度定時同步（139）
6.4載波相位和符號定時的聯合估計（140）
習題（141）
第7章通信信道與無線鏈路（142）
7.1信道模型與信道容量（142）
7.1.1信道的劃分和定義（142）
7.1.2信道容量（144）
7.1.3各種波形信道的容量及其逼近香農限的方法（147）
7.1.4信道可靠性函式E（R）（148）
7.2線性濾波器信道（149）
7.2.1線性濾波器信道的成因（149）
7.2.2線性濾波器信道條件下的最佳接收（149）
7.2.3噪聲白化與等效有記憶離散AWGN信道模型（150）
7.3多徑衰落信道（152）
7.3.1多徑效應和多徑衰落信道（152）
7.3.2多徑衰落的幅度統計特性（154）
7.3.3多徑衰落信道的時頻特性（155）
7.3.4多徑衰落特性的分類（158）
7.4無線通信鏈路分析（160）
7.4.1中繼系統的傳輸性能（160）
7.4.2無線通信系統的鏈路預算（160）
習題（161）
第8章數字通信中的信道編碼（163）
8.1編解碼器設計中多種因素的權衡（163）
8.1.1編碼增益及其極限（163）
8.1.2不同誤碼率下碼率與信噪比的關係（164）
8.1.3編解碼器設計中各種因素的權衡（165）
8.2差錯類型及差錯控制方式（166）
8.3分組碼（167）
8.3.1有限域FG（q）（167）
8.3.2分組碼的基本概念（167）
8.3.3生成矩陣與校驗矩陣（169）
8.3.4伴隨式解碼（170）
8.3.5一些特殊的線性分組碼（172）
8.3.6線性分組碼的軟判決解碼（174）
8.4低密度奇偶校驗碼（LDPC碼）（175）
8.4.1LDPC碼的表示方法（175）
8.4.2LDPC碼解碼（177）
8.4.3LDPC解碼示例（180）
8.4.4LDPC碼性能影響因素（181）
8.5卷積碼（184）
8.5.1卷積編碼器的描述（184）
8.5.2卷積碼的距離特性與編碼增益（186）
8.5.3卷積碼的維特比解碼算法（188）
8.5.4刪余卷積碼（192）
8.5.5串列級聯碼（194）
8.5.6Turbo碼（並行級聯碼）（195）
8.5.7格編碼調製（TCM）（203）
8.6信道編碼的套用（205）
8.6.1GSM中的編碼（205）
8.6.2第三代移動通信中的編碼（205）
8.6.3LTE中的編碼（206）
8.6.4DVB中的信道編碼（206）
8.6.5IEEE802.16中的編碼（207）
8.6.6Turbo碼在國際標準中的套用（207）
8.6.7信道編碼在深空探測中的套用（208）
習題（208）
第9章擴頻通信概述（210）
9.1直接序列擴頻通信系統（210）
9.1.1直接序列（DS）擴頻通信系統的總體結構（210）
9.1.2DS擴頻信號的產生（211）
9.1.3擴頻信號的接收——解擴解調（212）
9.1.4擴頻通信系統PN碼的產生（214）
9.1.5DS擴頻與編碼相結合（214）
9.2DS擴頻通信系統的特點和套用（215）
9.2.1DS擴頻通信系統的主要特點（215）
9.2.2DS擴頻信號的頻譜（215）
9.2.3DS擴頻通信系統的干擾容限（216）
9.2.4DS擴頻通信信號中窄帶干擾的消除（218）
9.2.5DS擴頻通信的套用（219）
9.3跳頻通信系統（219）
9.3.1跳頻系統的原理（219）
9.3.2跳頻系統的特點（220）
9.3.3跳頻系統的套用（221）
9.4其他擴頻方式（221）
9.5擴頻通信系統的同步（222）
9.5.1DS擴頻通信系統的同步（222）
9.5.2跳頻通信系統的同步（224）
習題（225）
第10章信道均衡（226）
10.1有記憶AWGN信道下的最佳接收檢測（226）
10.1.1有記憶AWGN離散信道模型（226）
10.1.2無匹配濾波器時的最大似然檢測（228）
10.1.3結合匹配濾波時的最大似然檢測（228）
10.1.4最大似然序列檢測的性能和實現（231）
10.2線性均衡（232）
10.2.1線性均衡的基本原理（233）
10.2.2峰值失真準則均衡器（234）
10.2.3最小均方誤差（MSE）均衡器（236）
10.2.4單載波頻域均衡（241）
10.2.5分數間隔均衡器（FSE）（242）
10.3判決反饋均衡器（244）
10.3.1基於判決反饋的MSE均衡器（244）
10.3.2傳送端的均衡——Tomlinson—Harashima預編碼（246）
10.4疊代均衡和解碼——Turbo均衡（247）
10.5自適應均衡（248）
10.5.1自適應迫零均衡器（248）
10.5.2最小均方（LMS）疊代算法自適應均衡器（249）
10.5.3自適應分數間隔均衡器——抽頭泄漏算法（252）
10.5.4自適應判決反饋均衡器和信道估計器（252）
10.5.5格線編碼調製信號的自適應均衡（253）
10.5.6最小二乘遞推（RLS）自適應均衡器（254）
10.5.7盲均衡（256）
習題（259）
第11章多信道協同傳輸技術（260）
11.1信道復用和分集傳輸（260）
11.2多信道分集傳輸中的合併方法及分集增益（261）
11.2.1多條AWGN信道的分集傳輸方法（261）
11.2.2等比合併法及其分集增益（262）
11.2.3最大比合併法及其分集增益（264）
11.3頻分復用與多載波通信（265）
11.3.1非理想線性濾波器信道的容量（265）
11.3.2基於FFT的多載波系統（266）
11.3.3DFT擴展的OFDM（269）
11.4時分復用傳輸技術（270）
11.4.1時分復用技術的性能和套用（270）
11.4.2實現連續波時分復用傳輸的分幀交織疊接相加法（271）
11.4.3準正交時分復用法（272）
11.5利用多徑分集的RAKE接收機（274）
11.5.1RAKE接收機的基本原理（275）
11.5.2符號間干擾信道的RAKE接收機結構（276）
11.5.3RAKE接收機的性能和套用（277）
11.6多輸入多輸出系統（277）
11.6.1MIMO系統模型（277）
11.6.2MIMO系統中空時編碼算法（279）
11.6.3MIMO系統的信道容量（279）
習題（280）
第12章多用戶通信（282）
12.1多址技術與通信網路（282）
12.1.1多址技術概述（282）
12.1.2雙工技術（282）
12.1.3通信網的拓撲結構（284）
12.2各種基本多址方式的主要特點和套用（284）
12.2.1隨機接入多址（Aloha）（284）
12.2.2頻分多址（FDMA）（285）
12.2.3時分多址（TDMA）（286）
12.2.4碼分多址（287）
12.3CDMA系統中多用戶聯合檢測技術（291）
12.3.1CDMA系統的接收檢測（291）
12.3.2CDMA系統最佳多用戶聯合檢測（293）
12.3.3線性多用戶檢測器（295）
12.3.4非線性多用戶檢測器（296）
12.4用戶協作通信技術（297）
12.4.1協作通信系統模型（297）
12.4.2常用的協作通信協定及其性能（298）
12.4.3協作通信技術的進一步發展（299）
習題（300）
參考文獻
序言
人類已進入信息社會，數字通信及其數位化是推動社會信息化最重要的力量之一；以數字通信為代表的數位化熱潮的蓬勃發展，已經改變了人們的生產、生活和社會活動方式。通信無處不在，人人需要通信；旺盛的需求和科技創新的緊密結合，推動著通信行業突飛猛進發展。在最近幾年國家重大專項的推動下，寬頻無線移動通信的發展正在掀起一個新的高潮；學術上創新性成果更多湧現，並且更快地進入產業化而產生巨大的社會和經濟效益。因此無論從人才培養還是推動科技發展來看，對於數字通信理論與技術知識都存在迫切的需求。
從知識結構的特點來說，通信領域可劃分為信息傳輸和通信網路兩大分支。前者所涉及的基礎理論十分寬廣深厚，包括：信號與系統分析、正交變換、矩陣理論、泛函分析、線性代數、高等代數、機率論、隨機過程、信號檢測、最佳化理論、資訊理論與編碼等。在這些基礎理論的支撐下發展了許多專門知識和關鍵技術，例如：調製解調、載波跟蹤、擴頻跳頻、信道均衡、多信道復用與分集傳輸、多輸入/多輸出系統、多址接入與分發、多用戶檢測、用戶協作通信等技術。本書力求儘可能全面而有重點地涵蓋這些內容。
本書是作者在講授博士生、碩士生學位課程“數字通信”中所用自編講義的基礎上，經反覆修改、完善而成的。作者在2003年準備開講此課時，對於國內外有關教材進行了仔細分析比較，發現電子工業出版社引進出版的《數字通信》第4版是最好的教材。該書由美國John G. Proakis編著，張力軍等人翻譯，不僅內容覆蓋面廣，而且論述深入、引證嚴謹，在美國就被普遍選作研究生教材。但當我們用過兩輪之後，發現教學中有三難：教師很難講，學生很難學，考試很麻煩；而且有些同學學了之後不會用。教師要在有限的課時中把這本書的內容講深講透確實很難；學生感到難學和學習效果不佳，也許是內容過多而可讀性又不夠強所致；此外書中許多概念的數學表達基於模擬信號處理方式，這與科研實踐中都採用數位訊號處理方式不一致，因此有些同學感到運用有困難。於是我們參考原書的基本內容編寫了講義作為主講教材，而將原書作為參考書，從此教學效果顯著改善。作者所在課題組每年招收的20餘名碩士生、博士生，從他們學完此課後轉入科研工作的情況可以明顯地感覺到，這門課的教學對於推動科研工作確實發揮了重要作用；其他課題組也有同樣的反映，因為此課每個學期都開，每年有近百名研究生選它為學位課。
本書所涉及題材範圍與John G. Proakis編著的Digital Communications (第4、5版)相似，除此之外還參考了多本專著或教材，以及一些公開發表的學術論文。本書主要有以下特點：
1．在選材上，力求以有限篇幅實現足夠寬廣的覆蓋，而又涉及學科前沿
基本上覆蓋了信息傳輸領域的基礎理論和專門知識，但又注意避免過於繁雜，力求做到提綱攜領、聚焦要點、深入透徹，使讀者便於掌握要領後向更廣的範圍引伸輻射。全書分12章，各章附有習題，很適於作為40～60學時的研究生課程教材，對於相關領域的科技工作者也有重要參考價值。內容除涉及基礎理論和系統設計的一些新觀點和新方法之外，還介紹了諸如OFDM技術、MIMO技術、協作通信等學科前沿的內容；所提供的數據和圖表可實際套用，例如各種調製方式在AWGN信道條件下的比特誤碼特性曲線，比較完整而準確。
2．注重基於數位訊號處理方式進行系統和方法的描述
對通信系統結構和信號處理方法的描述，儘可能採用數位訊號處理方式，特別是採用基帶覆信號形式進行描述，這些描述與仿真或FPGA設計實現方式直接相對應，有助於讀者直觀理解、學以致用。採用三步分解法描述數字調製和解調的過程，使對於通信系統及其各階段信號形態的描述顯得更加清晰。調製劃分為符號形成與矢量表示、基帶調製和載波調製三步；解調劃分為載波解調、基帶解調和符號判決三步。這種獨特的描述方法在以後各章節中顯示出了明顯的優越性。例如：對連續相位調製及其解調的描述，將信道劃分定義為離散符號傳輸信道和波形信道，關於擴頻通信系統中解擴、解調、符號判決及其關聯性的描述，對於多信道協同傳輸、多用戶通信技術等的描述。採用複數域數位訊號處理方式描述正交上/下變頻、載波同步環路、信道匹配濾波、最大似然檢測、多徑傳輸特性、多用戶檢測、協作通信技術等，不僅概念描述更清楚準確，而且表達式與實際套用相吻合。
3．注重一些重要概念和方法的數學推導和證明
對於一些重要概念和學術思想，特別是作者所提出的新方法和新觀點，都有數學推導或證明，因而便於讀者深入理解和靈活運用。例如：
① 提出了一種相干解調誤碼特性的分析計算新方法，由BPSK誤碼特性的基本公式推廣套用到MPAM、MPSK、MQAM，不僅簡明直觀，而且便於推廣套用。
② 證明了Sinc函式和平方根升餘弦譜特性的成形波具有平移正交性，並提出了構造其它具有平移正交性成形波的方法。
③ 提出了一種數字鎖相環閉環系統函式的推導和環路參數設計的新方法，可推廣套用到高階鎖相環和鎖頻環的設計、實現。
④ 證明了信道匹配濾波器(CMF)具有最大比同相合併作用，因而能使接收信號的信噪比得到最大程度的提升；並給出了採用非因果FIR濾波器實現CMF的方法。
⑤ 推導出多徑傳輸信道單位衝激回響的新型表達式，得到一個重要結論：頻寬為W赫茲最大多徑時延為 秒的多徑信道，最多只有W 個獨立的延遲信號分量，因而其單位衝激回響可表示為一個W 階的FIR濾波器；這可使概念更清楚，可操作性更強。
⑥ 證明了基於塊傳輸方式的單載波頻域均衡能夠實現其系統函式在單位圓內外都存在極點的線性均衡器，因而能對經匹配濾波後的信號進行線性均衡而獲得良好的效果。
⑦ 分析了各種分集傳輸合併方法(三種最大比合併法和三種等比合併法)的性能特點及反映分集增益的表達式，可用於分集合併方法的選擇和系統中隱含分集傳輸性能的分析。
⑧ 首次在教科書中介紹作者所發明的兩種連續波時分復用傳輸方法，這兩種方法在基於非再生式信號處理轉發平台所構成的無線通信系統中，可發揮不可替代的重要作用。
本書的綜合性、理論性和系統性較強，學生必須在信號與系統、數位訊號處理、隨機過程、資訊理論等基礎理論方面有較好的先修準備，才能學好本課；習題的完成應儘量結合MATLAB仿真實驗，才有利於學以致用。
本書在編寫過程，得到了西安電子科技大學研究生精品課創建和教材編著出版基金的資助，在此表示衷心感謝。在本書的前身，即《數字通信講義》的編寫過程中，王勇超教授、劉祖軍副教授編寫過一些章節，在本書的定稿過程中王勇超教授還提出了許多具體修改意見；此外李建東、裴昌幸、葛建華教授等，對於本書的編寫給予了熱情的支持和關心。在採用本書初稿和定稿作為試用教材過程中，許多研究生都為本書的校對、糾錯做了許多貢獻，例如：林貴斌、潘忠顯、伍君鰲、李運華、高煒修、王寶璽、易鴻鋒、周茹同學等。對於本書編寫過程中提供幫助的所有老師和同學，在此一併表示衷心的感謝。
編著者
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