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数字通信原理（第3版）

作译者：冯穗力等

出版时间：2023-05 千字数：1036 版次：01-01 页数：548

开本：16开装帧： I S B N ：9787121454110

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第1章  绪论	1
1.1  近代与现代通信技术的发展历史和现状	1
1.2  数字通信系统的基本组成	3
1.3  数字通信的特点	4
1.4  数字通信系统的基本性能指标及其度量参数	6
1.5  本书的内容安排	7
习题	8
主要参考文献	9
第2章  信号分析基础	10
2.1  引言	10
2.2  确定信号分析方法回顾	10
2.3  信号的向量表示	14
2.4  希尔伯特变换及应用	16
2.5  随机信号的基本概念和特点	21
2.6  随机过程的主要统计特性	24
2.7  随机变量函数的分布及数字特征	25
2.8  平稳随机信号	26
2.9  信号功率谱密度	28
2.10 通信系统中几种常用的随机过程	30
2.11 平稳随机过程与时不变线性系统	35
2.12 循环平稳随机过程	38
2.13 匹配滤波器	41
2.14 信号的带宽	45
2.15 常用的几种特殊函数	49
2.16 本章小结	49
习题	50
主要参考文献	51
第3章  模拟信号的数字编码	52
3.1  引言	52
3.2  低通和带通信号抽样定理	52
3.2.1  低通信号理想抽样	52
3.2.2  低通信号自然抽样	53
3.2.3  混叠现象与低通抽样定理	54
3.2.4  带通抽样定理	56
3.3  模拟信号的量化	58
3.3.1  标量量化	59
3.3.2  向量量化	61
3.3.3  均匀量化	61
3.3.4  非均匀量化	64
3.3.5  对数量化	69
3.4  脉冲编码调制	74
3.4.1  常用的PCM编码方式	75
3.4.2  A律与? 律PCM编码	75
3.4.3  对数PCM与线性PCM间的变换	79
3.5  差分脉冲编码调制（DPCM）	81
3.5.1  预测编码的基本概念	81
3.5.2  信号预测的基本方法	82
3.5.3  自适应差分脉冲编码调制	86
3.6  增量调制（ 调制）	89
3.6.1  简单增量调制	89
3.6.2  增量总和调制——?-Σ调制	92
3.6.3  数字压扩自适应增量调制	94
3.7  不同编码方式的误码性能分析	96
3.7.1  增量调制编码的误码性能分析	96
3.7.2  线性PCM编码的误码性能分析	98
3.7.3  两种编码的抗误码性能比较	99
3.8  本章小结	100
习题	100
主要参考文献	101
第4章  信息论基础	102
4.1  引言	102
4.2  信息的度量	102
4.2.1  离散信源信息的度量	103
4.2.2  离散信源的平均信息量——信源的熵	104
4.2.3  熵的最大化	104
4.2.4  离散信源的联合熵与条件熵	108
4.3  离散信道及容量	109
4.3.1  信道的模型	109
4.3.2  互信息量	109
4.3.3  熵函数与平均互信息量之间的关系	111
4.3.4  离散信道的容量	112
4.3.5  离散无记忆对称信道及特性	116
4.4  连续信源、信道及容量	117
4.4.1  连续信源的相对熵	117
4.4.2  连续信源的相对条件熵和互信息量	119
4.4.3  连续信源的相对熵的最大化	121
4.4.4  加性高斯噪声干扰信道的容量	123
4.4.5  信道容量和信道带宽的归一化分析	126
4.5  信源编码的基本概念与方法	128
4.5.1  离散无记忆信源	129
4.5.2  离散无记忆信源的等长编码	130
4.5.3  离散无记忆信源的不等长编码	138
4.5.4  霍夫曼编码	144
4.6  信道编码的基本概念与方法	148
4.6.1  离散无记忆信道的转移矩阵与后验概率矩阵	148
4.6.2  最大后验概率译码准则	150
4.6.3  最大似然译码准则	152
4.6.4  费诺不等式	153
4.6.5  信道编码定理	154
4.7  率失真理论	160
4.7.1  平均失真度	160
4.7.2  率失真函数	161
4.8  本章小结	169
习题	170
主要参考文献	172
第5章  数字基带传输系统	173
5.1  引言	173
5.2  基带传输系统基本模型	173
5.3  基带信号的波形设计与编码	174
5.3.1  基带信号的波形设计原则	174
5.3.2  基带信号的基本波形	175
5.3.3  常用的基带信号传输码型	176
5.4  基带信号的功率谱	179
5.4.1  二进制纯随机序列基带信号的功率谱	179
5.4.2  二进制平稳序列基带信号的功率谱	183
5.5  码间串扰与波形传输无失真的条件	184
5.5.1  基带信道的传输特性与码间串扰	184
5.5.2  奈奎斯特第一准则	185
5.5.3  奈奎斯特第二准则	192
5.5.4  奈奎斯特第三准则	194
5.6  部分响应基带传输系统	195
5.6.1  部分响应系统的信号波形特性	195
5.6.2  预编码和相关编码	198
5.7  基带信号的检测与最佳接收	201
5.7.1  加性高斯白噪声干扰下的信号检测	201
5.7.2  基带信号的最佳接收	205
5.7.3  基带传输系统特性的眼图观测方法	209
5.8  本章小结	210
习题	211
主要参考文献	213
第6章  数字载波调制传输系统	214
6.1  引言	214
6.2  数字载波调制与解调的基本原理	215
6.2.1  数字载波调制的基本原理	215
6.2.2  数字载波调制信号的功率谱分析	217
6.2.3  数字载波调制信号解调的基本原理	219
6.3  二进制数字载波调制传输系统	222
6.3.1  2ASK调制解调系统	222
6.3.2  2PSK调制解调系统	231
6.3.3  2DPSK调制解调系统	235
6.3.4  2FSK调制解调系统	240
6.3.5  二进制调制解调系统的性能比较	246
6.4  多进制数字载波调制传输系统	247
6.4.1  信号统计判决的基本原理	249
6.4.2  MASK调制解调系统	252
6.4.3  MPSK调制解调系统	255
6.4.4  MQAM调制解调系统	258
6.4.5  MFSK调制解调系统	262
6.5  恒包络连续相位调制	266
6.5.1  MSK调制解调系统	266
6.5.2  GMSK调制解调系统	274
6.6  正交频分复用载波调制传输系统	282
6.6.1  并行传输的基本概念	282
6.6.2  OFDM的基本原理	283
6.6.3  OFDM信号的时间保护间隔与循环前缀	286
6.6.4  OFDM信号的功率谱及OFDM信号的特点	287
6.7  本章小结	289
习题	289
主要参考文献	291
第7章  传输信道	292
7.1  引言	292
7.2  信道的定义和分类	292
7.2.1  信道的定义	292
7.2.2  恒参信道	293
7.2.3  随参信道	294
7.3  信道的损耗与衰落特性	295
7.3.1  自由空间传输损耗模型	296
7.3.2  传输路径损耗模型	296
7.3.3  传输信道阴影衰落模型	297
7.3.4  路径损耗与阴影衰落综合模型	298
7.4  信道的统计多径模型	298
7.4.1  多普勒频移与多径接收信号	298
7.4.2  窄带衰落模型	300
7.4.3  宽带衰落模型*	305
7.5  信道的容量分析	311
7.5.1  平坦衰落信道的容量	311
7.5.2  频率选择性衰落信道容量	314
7.6  信道估计与均衡	316
7.6.1  信道估计与均衡的基本概念	316
7.6.2  数字时域均衡的基本原理	319
7.6.3  数字时域均衡的常用方法	321
7.6.4  自适应均衡器	325
7.7  本章小结	327
习题	327
主要参考文献	328
第8章  差错控制编码	329
8.1  引言	329
8.2  差错控制编码的主要类型和方式	329
8.2.1  差错控制编码的主要类型	329
8.2.2  差错控制的方式	329
8.3  简单的差错控制方法	330
8.3.1  奇偶校验码	330
8.3.2  重复码	331
8.3.3  水平奇偶校验码	332
8.4  线性分组码的代数基础*	333
8.5  线性分组码的基本性质	341
8.5.1  码距的概念	341
8.5.2  码距与检错、纠错能力的关系	342
8.5.3  线性分组码的生成矩阵与监督矩阵	344
8.5.4  线性分组码的最小码距与最小码重的关系	349
8.5.5  线性分组码的标准阵、陪集首和陪集	351
8.5.6  汉明码	353
8.5.7  线性分组码纠错能力分析	357
8.6  循环码	359
8.6.1  循环码的基本概念和定理	359
8.6.2  系统码结构的循环码	364
8.6.3  循环冗余校验码	370
8.6.4  汉明循环码	371
8.6.5  BCH码*	373
8.7  卷积码	383
8.7.1  卷积码编码器的构造和表示方法	383
8.7.2  卷积码的卷积关系、生成矩阵与生成多项式	384
8.7.3  卷积码的监督矩阵与监督多项式矩阵	391
8.7.4  卷积码的伴随式与代数译码	392
8.7.5  卷积码的状态图、树图与网格图描述	398
8.7.6  卷积码的距离特性与转移函数	401
8.7.7  卷积码的概率译码原理	407
8.7.8  卷积码的维特比译码	409
8.7.9  维特比译码器的性能分析*	419
8.7.10  卷积码的码率变换操作——凿孔卷积码*	422
8.8  调制与编码的权衡	426
8.8.1  调制方式的权衡问题	426
8.8.2  带宽受限系统与功率受限系统	428
8.8.3  带宽与功率均受限系统	429
8.9  本章小结	433
习题	433
主要参考文献	436
第9章  同步原理与技术	437
9.1  引言	437
9.2  锁相环	437
9.2.1  锁相环的组成	437
9.2.2  锁相环的工作原理	438
9.2.3  锁相环的基本性能分析	439
9.3  载波同步	443
9.3.1  直接提取法	443
9.3.2  插入导频法	447
9.3.3  载波相位的似然估计法*	448
9.4  符号同步	451
9.4.1  直接提取法	452
9.4.2  插入导频法	454
9.4.3  符号同步的似然估计法*	455
9.4.4  载波相位和符号同步的联合估计*	455
9.5  帧同步	457
9.5.1  帧同步标识符的周期性插入法	457
9.5.2  帧同步标识符的相关搜索法	460
9.6  本章小结	463
习题	463
主要参考文献	465
第10章  扩展频谱通信技术	466
10.1  引言	466
10.2  扩频系统的基本概念	466
10.2.1  扩频系统的基本原理	466
10.2.2  扩频系统的分类	467
10.2.3  扩频系统的主要技术指标	470
10.2.4  扩频系统的特点	471
10.3  伪随机序列	472
10.3.1  m序列	473
10.3.2  Gold序列	477
10.4  直接序列扩频技术	478
10.5  跳频技术	479
10.5.1  跳频系统工作原理	480
10.5.2  跳频器	481
10.6  扩频系统的同步	483
10.6.1  扩频码的捕获	484
10.6.2  扩频码的跟踪	486
10.7  扩频技术的应用	488
10.7.1  扩频技术在军事通信中的应用	489
10.7.2  扩频技术在民用通信中的应用	489
10.8  本章小结	491
习题	492
主要参考文献	492
第11章  信道复用与多址技术	493
11.1  引言	493
11.2  频分复用与频分多址	493
11.3  时分复用与时分多址	495
11.4  码分复用与码分多址	496
11.5  空分复用与空分多址	499
11.6  统计复用与随机多址	499
11.7  综合复用	505
11.8  本章小结	506
习题	507
主要参考文献	507
第12章  空时无线通信技术概述	508
12.1  引言	508
12.2  MIMO的基本模型	508
12.3  空时信道容量	510
12.3.1  MIMO信道容量的基本概念	510
12.3.2  发送端和接收端均已知信道时的信道容量	511
12.3.3  仅接收端已知信道时的信道容量	513
12.4  空时编码的基本方法	513
12.4.1  分层空时码模型	513
12.4.2  最大似然译码（ML）算法	515
12.4.3  迫零（ZF）算法	515
12.4.4  最小均方误差（MMSE）算法	516
12.5  MIMO分集技术	517
12.5.1  分集的基本概念	517
12.5.2  接收分集	519
12.5.3  发送分集	519
12.5.4  发送与接收分集	520
12.6  同道干扰抑制	521
12.6.1  最大似然（ML）干扰抑制接收	521
12.6.2  最小均方误差（MMSE）干扰抑制接收	522
12.7  非正交多址接入技术的基本概念	522
12.7.1  下行容量域对比	523
12.7.2  上行容量域对比	524
12.8  MIMO技术的一般性意义	527
12.9  本章小结	527
习题	527
主要参考文献	528
附录  缩写索引表	529

前    言
数字通信已成为现代通信系统的一项基本技术。近几十年来，国内外出版了大量有关通信原理和通信系统方面的教材，特别是有关数字通信原理方面的教材，其中不乏优秀的著作。这些教材各具特色，培养了一代又一代通信等领域的工程技术人员。随着20世纪末和21世纪初电子技术、信息技术和通信网络等工程应用技术的迅速发展，在大学中电子、信息与通信领域专业课程和教学内容的设置，也发生了许多变化。其中，最明显的变化是增设了许多基于计算机技术和方法的各种专业课程，原有包括通信原理在内的许多经典课程的教学课时数不得不压缩。同时，互联网的普及应用也使得学生获取各类知识的来源和内容变得更加丰富与多元化。因此，需要考虑如何在有限的课时内以更有效的方式介绍数字通信原理的内容。另外，随着计算机与数字信号处理软/硬件技术、可编程阵列器件和集成电路等技术的发展，通信系统，特别是数字通信系统的物理实现方式，也发生了很大的变化。通信系统中要实现的各种功能，已经极少以单元电路的形式出现，这些变化日益凸显了通信系统的理论与各种算法的重要性。本书的编著者在撰写本书时，考虑了上述这些变化因素。本书有如下的特点：
1. 本书对于学生在大学阶段需要掌握的数字通信的基本原理，进行了详尽的叙述。对于有关定理和重要的结论，只要其证明过程在大学阶段该专业学生的数学知识范围内，都会给出完整的分析。其中对有些我们认为学生较难理解的知识点和重要方法的讨论，甚至到了不厌其烦的程度。通过这种方式我们试图达到如下目的，即让教师在本课程的有限课堂教学的学时中，重点讲授基本原理、物理概念和其他一些实例，详细证明过程可以省略。有关定理证明过程的所有数学分析和推导，基本上都可以让学生自己在课后通过阅读本书获得。
2. 考虑到数字通信原理是一门有关通信系统和技术的基础性课程，同时注意到现代通信系统主要基于专用集成电路、计算机、高速数字信号处理器以及可编程阵列器件等方法构建和物理实现等特点，在教材的内容安排上，除非涉及解释原理和概念的需要，基本上未涉及有关通信系统中某个功能单元电路的具体实现问题。有关这些知识的了解，我们认为学生可以在了解基本原理的基础上，通过与数字通信原理课程配套的实验或课程设计等方式达到。
3. 书中采用了大量图示方法（如原理框图、频谱特性和信号波形等）来解释和描述通信过程中的各种物理现象，以便形象地反映通信系统中各种信号的特征，使读者加深对其物理概念的理解。
4. 注意到正交频分复用（OFDM）已成为宽带无线通信系统的一项基本技术，本书与许多近期出版的通信原理教材一样，增加了这方面的内容。另外，考虑到无线通信的应用日益广泛，在介绍传输信道时突出了对无线信道特性的分析。同时为强调信道特性对信号正确接收和解调的密切关联性，将信道均衡部分的内容整合到了传输信道一章中。
5. 对于数字通信原理课程中原有的经典内容，在信息论基础方面，增加了有关信源编码方面的讨论。考虑到目前应用广泛的MSK和GMSK等信号的重要性，本书对其进行了详细讨论，对于其中难以用数学公式解释的信号解调过程，通过示例进行了分析和说明。同时考虑到差错控制编码在数字通信系统中的重要性，本书加强了线性分组码和卷积码的内容，特别是BCH码的译码、卷积码的软译码和凿孔码等方面的内容。另外，在同步方面，讨论了更多的方法和技术。
6. 本书努力吸收了现有的一些国外教材中有利于学生对加深对数字通信原理的理解和知识应用等方面的内容，如第2章中有关信号带宽的描述、第7章中有关信道特性的内容、第8章中有关调制与编码的权衡等。
7. 为提示读者对每一知识点的关注和阅读过程中对问题的理解，文中对每个较为重要问题的讨论，前面都尽可能给出加粗的标题，对每段文字中首次出现的关键字，通常都用粗体字加以凸显。
本书对内容的表述和定理的证明力图详尽，对此我们也担心自学的读者在阅读过程中，可能会陷入对分析证明过程的细节的过于关注，反而忽略了对基本概念和原理的理解与掌握。因此，我们希望读者在学习过程中，要谨记最重要的不是了解一些定理的证明方法或解题技巧，而是掌握数字通信的基本概念、原理和方法。而这些关键知识主要包含在定义、定理等基本内容中，所有有关细节的叙述、分析和讨论，都是为理解定义、定理等基本内容服务的。
本书介绍的主要是大学阶段通信原理课程的基本内容。全书共分11章，第1章绪论介绍通信的发展概况、通信系统的基本组成、数字通信的特点以及通信系统的主要参数；第2章信号分析基础讨论本书中主要用到的信号分析和处理方法；第3章模拟信号的数字编码分析通信系统中模拟信号变为数字信号过程中的有关问题，引入各类脉冲编码调制的方法；第4章信息论基础介绍信息的定义、信息的度量以及信源编码的基本概念和方法，并介绍香农有关信道容量的概念；第5章数字基带传输系统介绍信号波形设计和编码的基本原理、基带信号功率谱的分析方法、基带信号传输的基本准则和最佳接收方法；第6章数字载波调制传输系统讨论各种数字载波调制与解调的原理以及各种方法的性能；第7章传输信道简要分析通信系统中各类信道的特性、不同条件下信道容量估算以及信道估计与均衡的基本方法；第8章差错控制编码介绍实现差错控制的基本概念，讨论差错控制编码中最基本的线性分组码和卷积码编译码方法；第9章同步原理与技术分析锁相环的基本原理，研究载波同步、符号同步与帧同步等方法和技术；第10章扩展频谱通信技术介绍扩频的基本概念和作用，以及直接序列扩频和跳频扩频的基本原理和方法；第11章信道复用与多址技术介绍信道复用与多用户如何接入系统的基本概念和方法。
本书中包含的基本内容，如各种编码与调制解调方式、香农定理、奈奎斯特准则、差错控制编码等，都是数字通信原理中最经典的内容，几乎都会出现在任何一本通信原理的教科书中，因此本书中都未列出这些经典内容的原始参考文献的出处。本书中的每一章之后给出的参考文献，主要是在内容的表述方面对本书影响较大，或读者要对相关部分做进一步深入了解而需要阅读的文献，另外还有一部分是书中某些重要曲线或参数表的出处。毫无疑问，在本书的撰写过程中编著者参阅了国内外许多同行的著作，其中许多章节内容的表述方法受到了这些著作的影响。特别是书中采用的习题来自许多不同教材和习题集中比较有代表性的题目，其中许多习题在各种教材和习题集中反复出现。因此，我们很难将这些文献详细列出，在此对这些文献的作者深表感谢。
本书主要由冯穗力编写，其中余翔宇参加了第3章和第11章的编写，柯峰参加了第5章的编写，余荣参加了第6章和第9章的编写，胡洁参加了习题部分的整理，刘圣海编写了第10章。全书由冯穗力整理、完善和定稿。余翔宇在本书的编写过程中做了许多与出版社的协调工作，并参与了书稿最后的整理。
本书的编写过程得到了部分研究生的大力支持，书中所有需要用公式计算得到的原始曲线均由周雄绘制，周珮诗、刘梦华、郭销淳和周雄等对本书的文字校订做了大量繁复的工作。没有他们的努力，要完成本书的编写显然是困难的。本书在出版之前，曾作为讲义在华南理工大学08、09级信息工程专业4 个班的“数字通信原理”课程中使用，在此过程中学生们提出了许多宝贵的意见，其中解可可对学生们反映的问题做了特别多的整理和记录工作。在本书作为讲义使用期间，得到了华南理工大学电子与信息学院才建东和徐向民两位老师的大力支持与帮助，在此我们深表感谢。感谢叶梧老师对本书编写过程中的指导工作。我们要特别感谢电子工业出版社高等教育出版分社对本书出版的支持。
本书提供辅助教学的材料和习题的全部解答，使用本书的老师可通过华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册获取，或通过邮件tan02@phei.com.cn获取。限于本书编著者的水平，书中一定存在许多有待完善之处甚至错误，欢迎读者通过出版社或其他方式提出指正问题的宝贵意见。
本书的编写得到了华南理工大学教学改革项目资金的资助。
    
第2版说明
本书第2版保持了第1版的基本内容和风格，根据第1版在教学使用过程中发现的问题，进行了修改完善。所做的修订主要有：对部分内容的编排进行了调整，修改了第1版中部分表述欠妥的内容，同时纠正了第1版中符号或图表中出现的错误。另外，对习题部分也进行了调整和修订，使其能够更好地与教材的基本内容配合使用。数字通信原理是一门系统性的课程，内容涉及很广，尽管在第2版中对原书进行了全面的修订，仍可能存在不足甚至错误，恳请读者批评指正。
在第1版的使用过程中，许多老师和学生提出了宝贵的意见，这对本书的修订和完善发挥了巨大的作用，在此作者深表谢意。作者感谢周智恒、李波、丁跃华、刘蕴、罗劲洪、张鑫、刘元和季飞等老师所提出的修改意见，感谢研究生黄桂冰和韩民钊同学在本书第2版校对中所做的细致工作。
感谢广东省科技计划项目（编号2016A010101009）对本书第2版出版的支持。

第3版说明
本书第3版在前两版的基础上进行了进一步的完善，精简了个别不太重要的内容。本书仍像第1版前言中所强调的那样，希望作为教材使用时，教师在课堂上可以重点讲授通信系统的基本概念、基本方法和有关的应用，而有关详尽的理论分析和具体的公式推导，学生可在课后通过阅读本书了解和掌握。
考虑到空时无线通信技术是当前通信领域研究的重要方向，也是工程上提高无线通信系统性能的主要手段，本书中加入了空时无线通信技术的内容，作为新增的第12章。读者可通过阅读这一章的内容，了解空时无线通信技术的基本概念。
在本书第2版出版后的使用过程中，同样有不少老师和学生提出了很好的修改建议，感谢这些老师和学生的宝贵意见。感谢唐玮俊博士、张亚芳博士为本书第12章提供的部分素材和给出的建议；感谢黄昭文博士对完善第1章内容给出的意见。
欢迎读者继续对改版后可能仍存在的问题提出批评和建议。

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