具体描述
内容简介
本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材《通信原理》的第2版。本书重点介绍了通信的基本原理和理论,并在此基础上介绍了一些现代通信技术。本书共8章,主要内容包括:通信系统概述、信息论初步、信道与干扰、模拟调制技术、模拟信号的数字化传输、基带传输、数字调制与解调、同步原理。本书的特点是:以通信系统的整体框架为依托,结合工程实践,力求做到深入浅出,理论联系实际,阐述透彻,基本概念准确。各章结尾都附有适当的习题。本书为任课教师提供免费电子教学课件。 作者简介
韩庆文,重庆大学通信工程学院副教授,长期从事理论教学,自任教以来,主讲了8门本科生课程,担任重庆市级精品课程《数字通信原理》课程负责人,重庆大学精品课程《微波技术基础》课程负责人。著作方向为通信理论、无线组网。 目录
第1章 概述 1
1.1 通信的基本概念 1
1.2 通信发展简史 1
1.3 通信系统的基本组成 3
1.4 信源 4
1.5 通信信道 6
1.5.1 常用通信信道 6
1.5.2 通信信道的基本模型 10
1.6 模拟通信与数字通信 10
1.6.1 模拟通信与数字通信的概念 10
1.6.2 模拟通信系统模型 11
1.6.3 数字通信系统模型 12
1.7 信息的传输方式 14
1.8 数字通信系统的主要性能指标 15
1.8.1 传输速率 15
1.8.2 差错概率 16
习题1 16
第2章 信息论初步 17
2.1 信息论的两条发展途径 17
2.2 信息论研究的基本内容 17
2.3 信息的对数量度 18
2.3.1 互信息量 18
2.3.2 通信熵 20
2.3.3 各种熵的性质 21
2.3.4 平均互信息量 23
2.4 离散信源与连续信源 25
2.4.1 离散信源 25
2.4.2 连续信源 26
2.4.3 信源编码 29
2.5 信道容量与香农公式 30
2.5.1 无扰离散信道的信道容量 30
2.5.2 有扰离散信道的信道容量 31
2.5.3 有扰连续信道的信道容量 33
2.5.4 香农公式 34
2.6 信道编码 36
2.6.1 香农第二定理 37
2.6.2 编码方法 37
2.6.3 检错与纠错 38
习题2 41
第3章 信道与干扰 42
3.1 概述 42
3.1.1 狭义信道和广义信道 42
3.1.2 信道模型 43
3.2 信号通过线性时不变系统 45
3.2.1 随机信号 45
3.2.2 信号的无失真传播条件 50
3.2.3 平稳随机过程通过系统 52
3.3 白噪声 53
3.3.1 白噪声 53
3.3.2 高斯噪声 54
3.3.3 高斯白噪声 55
3.3.4 窄带高斯噪声 56
3.4 变参信道及其对信号传输
的影响 58
3.4.1 变参信道 58
3.4.2 变参信道对信号传输的影响 59
3.4.3 变参信道特性的改善(分集
接收) 64
习题3 68
第4章 模拟调制技术 70
4.1 概述 70
4.2 幅度调制 70
4.2.1 双边带调幅 71
4.2.2 单边带(SSB)调制 74
4.2.3 残留边带(VSB)调制 77
4.3 非线性调制技术 78
4.3.1 角度调制的基本概念 79
4.3.2 窄带调频与宽带调频 80
4.3.3 调频信号的产生与解调 85
4.4 模拟调制系统的抗噪性能 87
4.4.1 线性调制系统的抗噪性能 87
4.4.2 非线性调制系统的抗噪性能 94
4.5 各种模拟调制系统的比较 97
4.5.1 各种模拟调制方式的性能 97
4.5.2 各种模拟调制方式的特点
与应用 98
习题4 99
第5章 模拟信号的数字化传输 101
5.1 引言 101
5.2 模拟信号的抽样 101
5.2.1 模拟信号的抽样 101
5.2.2 实际抽样 104
5.2.3 带通信号的抽样 106
附实验一:低通信号的抽样定理
实验 109
5.3 信号的量化 110
5.3.1 量化的基本原理 110
5.3.2 均匀量化 112
5.3.3 最佳量化器与非均匀量化 116
5.3.4 语音信号的量化 118
5.4 脉冲编码调制(PCM) 124
5.4.1 PCM的基本原理 124
5.4.2 编码规则 125
5.4.3 PCM编码器与译码器 127
附实验二:PCM编码的压缩与扩张 130
5.4.4 PCM系统的噪声性能 130
5.5 差分脉冲编码调制和增量调制 132
5.5.1 语音压缩编码 132
5.5.2 差分脉冲编码调制(DPCM) 134
5.5.3 增量调制(ΔM) 135
5.6 时分复用及数字复接 142
5.6.1 时分复用的基本原理 142
5.6.2 PCM一次群 143
5.6.3 数字复接技术 144
5.6.4 准同步数字序列 145
5.6.5 同步数字序列 146
5.6.6 SDH复用的基本原理 148
5.6.7 SDH组网技术 151
习题5 152
第6章 基带传输 155
6.1 概述 155
6.2 基带信号及其频谱特性 156
6.2.1 矩形脉冲波形 156
6.2.2 线路码型 157
6.2.3 波形序列的功率谱密度 162
6.3 基带信号的传输与码间干扰 169
6.3.1 基带系统模型 170
6.3.2 基带信号传输中的码间干扰 171
6.4 基带传输中码间干扰的消除 172
6.4.1 奈奎斯特第一准则 172
6.4.2 奈奎斯特第二准则 179
6.4.3 奈奎斯特第三准则 182
6.4.4 部分响应技术 183
6.5 基带信号的最佳接收 188
6.5.1 引言 188
6.5.2 数字信号接收的统计表示 189
6.5.3 最佳接收准则 192
6.5.4 二元信号的最佳接收机 196
6.5.5 二元信号最佳接收机的性能 199
6.5.6 二元信号的最佳形式 202
6.5.7 匹配滤波器 204
6.6 基带系统的最佳化 208
6.6.1 最佳基带系统的概念 208
6.6.2 理想信道的最佳基带系统 208
6.6.3 非理想信道的最佳基带系统 216
6.6.4 眼图 219
6.7 基带系统的均衡 221
6.7.1 频域均衡 222
6.7.2 时域均衡 222
习题6 229
第7章 数字调制与解调 233
7.1 引言 233
7.2 移幅键控(ASK) 233
7.2.1 二进制移幅键控(2ASK) 233
7.2.2 2ASK系统的性能 236
7.2.3 多进制振幅调制 241
7.3 移相键控 243
7.3.1 二进制移相键控 243
7.3.2 系统性能 247
7.3.3 多进制移相键控 251
附实验一:2PSK和2DPSK调制
解调系统 260
7.4 移频键控(FSK) 261
7.4.1 二进制移频键控(2FSK)信号
的产生 261
7.4.2 2FSK信号的频谱特性 262
7.4.3 2FSK信号的解调 266
7.4.4 2FSK系统的性能 271
7.4.5 MSK方式 275
7.4.6 多进制移频键控 279
附实验二:2FSK调制解调系统 282
7.5 数字调制系统的性能比较 284
7.6 键控信号的复包络法 285
7.6.1 键控信号的复包络 285
7.6.2 利用复包络法求键控信号和窄带
噪声的功率谱密度 287
7.6.3 键控信号通过带通信道 289
7.6.4 键控信号的正交相干解调 290
7.7 宽带通信中的调制技术简介 290
7.7.1 正交幅度键控 290
7.7.2 正交频分复用 294
习题7 301
第8章 同步原理 302
8.1 引言 302
8.2 载波同步 302
8.2.1 插入导频法 302
8.2.2 直接提取法 305
8.2.3 载波同步系统的性能 313
8.2.4 载波相位误差对解调性能
的影响 321
8.3 位同步 322
8.3.1 外同步法 322
8.3.2 自同步法 324
8.3.3 位同步系统的性能及其相位
误差对性能的影响 335
8.4 群同步 338
8.4.1 起止式同步法 338
8.4.2 加高式或加宽式同步法 338
8.4.3 连贯式插入法 339
8.4.4 间隔式插入法 343
8.4.5 群同步系统的性能 344
8.4.6 群同步的保护 350
习题8 352
参考文献 354 前言/序言
《信号穿越:信息时代的物理基石》 引言 在这个信息爆炸的时代,我们无时无刻不被海量的数据洪流所包围。从远方的问候到全球的新闻,从精美的图片到震撼的视频,一切的便捷与精彩,都离不开一项根本性的科学支撑——通信。而支撑这一切的,正是那些隐藏在设备背后,不断被优化和拓展的通信原理。本书《信号穿越:信息时代的物理基石》并非一本教材,而是一次深入探寻信息如何在空间和时间中穿梭的旅程。它将带领读者,拨开技术的迷雾,直抵那些构成我们数字生活的物理与数学的灵魂。本书旨在普及通信领域的核心思想,勾勒出信息传输的宏大图景,理解现代社会运转的底层逻辑,并激发对未来通信技术无限可能性的想象。 第一章:信息的诞生与编码的艺术 在一切通信的起点,是信息的“诞生”。信息本身是一种抽象的概念,是熵的减少,是对不确定性的消除。它可能是一段文字,一串数字,一个图像,甚至是一段声音。然而,这些抽象的概念必须转化为物理世界能够传递的形式。这就需要“编码”。 编码,本质上是将信息映射到一种便于传输的信号序列。例如,我们日常使用的摩尔斯电码,就是将英文字母和数字编码为短点和长划的组合。这是最基础的编码思想。但现代通信远比这复杂。本书将从信息的度量单位——比特(bit)出发,深入浅出地介绍香农信息论的核心概念,如熵(entropy)——衡量信息的不确定性。我们会探讨不同类型的编码,从简单的二进制编码,到更复杂的信源编码,例如霍夫曼编码(Huffman coding)和算术编码(arithmetic coding)。这些编码技术的目标是压缩信息,减少冗余,使得在有限的带宽下能够传输更多有效信息。读者将了解到,压缩算法(如JPEG、MP3、MP4)的背后,正是这些编码原理的巧妙应用。我们将追溯编码的历史演进,理解从模拟信号到数字信号的巨大飞跃,以及数字编码如何极大地提高了通信的鲁棒性和灵活性。 第二章:穿越媒介:信号的形态与传播 信息一旦被编码,就需要通过某种“媒介”来传播。这些媒介千姿百态,从无形的电磁波,到有形的导线,再到光纤,它们共同构成了信息传递的通道。本书将深入剖析这些传播媒介的物理特性,以及它们如何影响信号的形态。 首先,我们将聚焦于最普遍的媒介——电磁波。从无线电波到微波,再到可见光,它们都是电磁频谱的不同组成部分。我们将解释电磁波的产生、传播方式,以及不同频率的电磁波各自的特点和应用场景,例如AM/FM广播、电视信号、手机通信、Wi-Fi、雷达和卫星通信。然后,我们将转向有线传输,如铜线电缆和光纤。读者将了解到,在铜线中,信号以电信号的形式传播,而光纤则利用光的反射和折射来传输信息,实现极高的传输速率和远距离传输。本书还将讨论这些媒介在传播过程中会遇到的各种“干扰”,例如噪声(noise)、衰减(attenuation)、失真(distortion)等。我们将解释这些物理现象是如何发生的,以及它们对信号质量的影响。理解这些,是后续讨论如何克服这些困难,实现可靠通信的基础。 第三章:编码与传输的交响:调制与解调 信号在媒介中传播,并非以其原始的编码形式直接传输。为了适应媒介的特性,并提高传输效率和抗干扰能力,信号需要被“调制”(modulation)。调制,顾名思义,就是将原始的基带信号(baseband signal)“搬运”到一个更高的频率载波(carrier)上进行传输。 本书将详细介绍各种经典的调制技术,例如调幅(Amplitude Modulation, AM)、调频(Frequency Modulation, FM)和调相(Phase Modulation, PM)。我们将解释它们的工作原理,以及各自的优缺点。例如,AM易受噪声干扰,而FM的抗干扰性能更好,但需要更大的带宽。随着技术的发展,更复杂的调制方式应运而生,如正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM),它是现代数字通信(如Wi-Fi、4G/5G)的核心技术之一。我们将深入解析QAM如何通过同时改变信号的幅度和相位来编码更多的数据比特,从而实现更高的频谱效率。 与调制相对应的是“解调”(demodulation)。在接收端,接收到的信号会经历一个与调制过程相反的解调过程,将高频载波上的信息提取出来,恢复成原始的基带信号。本书将探讨不同解调器的设计原理,以及它们如何有效地从噪声和干扰中“打捞”出有用的信息。我们将强调调制与解调的协同作用,它们共同构成了信号从发送端到接收端传输的完整链条。 第四章:对抗失真:信道编码与纠错 即使经过精心的调制,信号在穿越传播媒介时,仍然不可避免地会受到噪声和干扰的影响,导致信息发生错误。如果不加以处理,这些错误将直接影响通信的可靠性。这就引入了“信道编码”(channel coding)的概念。 信道编码与前面的信源编码不同,它的目的是在信息中“故意”添加冗余,但这种冗余并非为了压缩,而是为了在接收端能够检测甚至纠正错误。本书将介绍两种主要的信道编码技术:检错码(error detection code)和纠错码(error correction code)。我们将以循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)为例,解释它是如何通过数学计算来检测传输错误的。然后,我们将深入到更强大的纠错码,例如汉明码(Hamming code)、里德-所罗门码(Reed-Solomon code)和卷积码(convolutional code)。我们将探讨它们如何通过增加冗余位来构建编码结构,使得接收端能够根据接收到的带错误码字,推断出原始的正确信息。 读者将了解到,诸如DVD、CD、卫星通信、二维码以及现代的4G/5G通信系统中,都广泛应用了强大的纠错技术。本书将形象地比喻信道编码为通信系统中的“安全卫士”,它们牺牲了一定的传输效率,换取了通信的可靠性和鲁棒性,使得我们的数字信息能够更安全、更准确地抵达目的地。 第五章:信号的“挤压”与“扩张”:多路复用与多址技术 随着通信需求的爆炸式增长,如何让有限的通信资源(如带宽、频谱)服务更多的用户,成为一个关键的挑战。这就需要“多路复用”(multiplexing)和“多址”(multiple access)技术。 多路复用是指在同一条传输信道上,同时传输多路信号的技术。本书将介绍几种经典的多路复用方式,例如频分复用(Frequency Division Multiplexing, FDM),它将总的传输带宽划分为若干个子信道,每个子信道传输一路信号,就像电视信号的频道划分一样。另一类是时分复用(Time Division Multiplexing, TDM),它将时间划分为若干个时间片,每个时间片分配给一个用户传输数据。还有更为先进的统计时分复用(Statistical TDM, STDM),它更加智能,能根据用户的实际需求动态分配时间资源。 多址技术则是在共享的物理信道上,允许多个用户接入并使用通信服务。本书将重点介绍几种主要的移动通信多址技术:频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)和码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)。我们将解释它们是如何区分不同用户的信号,即使这些信号在同一时间和同一频带上。例如,CDMA通过给每个用户分配一个独有的“扩频码”,使得不同用户的信号可以共享同一带宽,并且可以通过解码算法区分开来,这是一种非常巧妙的通信技术。读者将了解到,这些技术是实现蜂窝网络、Wi-Fi等共享通信系统的基础。 第六章:信息的高速公路:脉冲编码与数字信号 从早期的模拟通信到如今的数字通信,这是一场划时代的变革。数字通信的核心在于将信息转化为离散的数字信号进行传输,而“脉冲编码”(pulse coding)则是实现这一转变的关键环节。 本书将深入探讨脉冲编码的各种形式。例如,脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation, PAM),它用不同幅度的脉冲来表示不同的数字码元。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)则通过改变脉冲的宽度来传递信息。而我们最为熟悉的脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)则是模拟信号数字化转换的标准方法,它包含三个关键步骤:抽样(sampling)、量化(quantization)和编码(coding)。我们将详细解释这三个步骤的原理,以及它们如何将连续的模拟信号转换成离散的数字序列。 本书还将讨论数字信号的优势,例如其极强的抗干扰能力、易于存储和处理,以及能够实现高效的压缩和纠错。我们将追溯数字信号的发展历程,从早期的电话系统到现代的高速数据通信,理解数字信号如何彻底改变了信息的传输方式,并为信息时代的到来奠定了坚实的基础。 第七章:信息传递的“神经网络”:网络结构与路由 随着通信系统的日益复杂,信息不再是点对点的简单传输,而是通过一个庞大而精密的“通信网络”进行传递。本书将勾勒出通信网络的宏观图景,并深入探讨其内部的运行机制。 我们将介绍不同层次的网络结构,从物理层到应用层,以及它们之间的相互关系。重点将放在网络层和路由(routing)技术。我们将解释“路由器”(router)在网络中的作用,它如同交通枢纽,负责将信息包(packet)从源头导向目的地。本书将介绍各种路由协议,例如距离向量路由(distance-vector routing)和链路状态路由(link-state routing),以及它们如何协同工作,确保信息在复杂的网络中找到最优路径。 读者将了解到,互联网(Internet)本身就是一个由无数节点和连接组成的巨大通信网络。本书将通过比喻,将网络想象成一个庞大的“信息高速公路系统”,而路由器则是交通管制员,而路由协议则是指挥交通的规则。理解这些,有助于我们更好地理解信息如何在全球范围内快速、高效地流动。 第八章:未来的展望:通信技术的演进方向 通信技术的发展从未止步。从最初的电报,到电话,再到如今的5G和正在探索的6G,每一次技术革新都极大地拓展了人类沟通的边界。本书将展望未来通信技术的发展方向,引发读者的思考。 我们将探讨当前通信领域的热点和前沿技术,例如软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)和网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization, NFV),它们如何通过软件的灵活性来重塑网络架构。我们还将关注人工智能(AI)在通信领域的应用,例如AI驱动的信道估计、智能路由和网络优化。此外,本书还将触及一些更具未来感的概念,如量子通信(quantum communication)所带来的安全性和通信方式的颠覆性变革,以及太赫兹(Terahertz)通信在超高速通信中的潜力。 我们希望通过本书,让读者不仅仅是通信技术的消费者,更能成为理解通信原理的探索者。理解这些基本原理,有助于我们更深刻地认识我们所处的信息时代,并为未来的技术发展和创新提供启示。 结语 《信号穿越:信息时代的物理基石》旨在以一种更加通俗易懂、引人入胜的方式,展现通信科学的魅力。我们相信,通过了解信息如何被编码、如何穿越媒介、如何对抗干扰、如何共享资源,并最终如何在复杂的网络中找到归宿,读者将对我们习以为常的数字生活,有一个全新的、更深层次的理解。这趟穿越信号的旅程,不仅是对已知科学的梳理,更是对未来无限可能的展望。