内容简介
《国外电子与通信教材系列:现代通信系统》共15章,全面介绍了模拟通信系统和数字通信系统的基本理论,这些理论是构成目前光纤、线和卫星通信网基础设施的基础。《国外电子与通信教材系列:现代通信系统》在介绍信号与线性系统、MATLAB/Simulink通信仿真、概率与随机过程的基础上,细致剖析了模拟调制、噪声特性、基带调制与检测、频带调制、时间色散信道上的信号传输、复用与同步、数据压缩、信道编码等基本原理。列举了数字有线电视、线通信、蜂窝通信和网络通信等众多应用实例,通过这些实例详细分析了基带技术和抗噪技术、调制/解调、复用与同步技术、信源编码、信道编码技术等。
作者简介
谭明新,博士,毕业于哈尔滨工程大学,现在华中师范大学信息技术系任教授。从事《现代交换技术》、《通信原理》、《信息论与编码》、《移动通信》、《数据通信》、《微波通信》等课程的教学工作。舰载数字程控交换系统国产化的技术骨干;主持国防科工委基金项目《turbo码在舰载通信系统中的应用研究》。
内页插图
目录
第1章 绪论
1.1 通信系统的构成单元
1.2 通信信道
1.2.1 同轴电缆
1.2.2 光纤
1.2.3 线信道
1.3 模拟通信系统和数字通信系统
1.3.1 数字通信系统
1.3.2 为什么采用数字传输
1.4 通信发展史
1.4.1 线通信
1.5 重要主题及其驱动
结束语
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第2章 信号与线性系统的复习
2.1 信号的基本概念
2.1.1 一些有用的基本信号
2.1.2 能量信号和功率信号
2.1.3 对数功率的计算
2.1.4 信号的一些基本运算
2.2 系统的基本概念
2.2.1 系统分类
2.2.2 LTI系统的特性
2.3 频域表示
2.4 傅里叶级数
2.4.1 三角傅里叶级数
2.4.2 Parseval定理
2.4.3 傅里叶级数的收敛
2.5 傅里叶变换
2.5.1 常见信号的傅里叶变换
2.5.2 傅里叶变换的性质
2.5.3 周期信号的傅里叶变换
2.6 时间带宽积
2.7 LTI系统的信号传输
2.7.1 传输失真
2.8 LTI系统用做频率选择性
滤波器
2.8.1 理想滤波器
2.8.2 理想滤波器的近似实现
2.8.3 用MATLAB设计的模拟
滤波器
2.9 功率谱密度
2.9.1 时间平均自相关函数
2.9.2 输入功率谱密度与输出功率谱密度之间的关系
2.10传输介质的频率响应特性
2.10.1 双绞线对
2.10.2 同轴电缆
2.11离散时间信号的傅里叶变换
结束语
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第3章 采用MATLAB/Simulink的通信
系统仿真
3.1 启动Simulink
3.1.1 求解器
3.2 Simulink的建模
3.2.1 子系统
3.3 信源与噪声源的仿真
3.3.1 确知信号
3.3.2 随机信号
3.3.3 AWGN信道的建模
3.4 通信系统的建模
3.4.1 时域建模
3.4.2 变换域表示
3.5 信号的频域显示
3.6 结合MATLAB使用Simulink
建模
3.6.1 MATLAB的仿真运行
结束语
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第4章 幅度调制
4.1 低通和带通信号
4.2 抑制载波的双边带AM
4.2.1 DSB?SC AM信号的频谱
4.2.2 DSB?SC AM信号的解调
4.3 常规幅度调制
4.3.1 常规AM信号的频谱
4.3.2 常规AM信号的解调
4.4 带通信号与系统的其他表示形式
4.4.1 复包络表示与解析表示的频谱
4.4.2 带通系统的复包络表示
4.5 单边带AM
4.5.1 SSB?AM信号的解调
4.6 残留边带AM
4.7 正交多路复用
4.8 复用
4.8.1 频分复用
4.9 变频与频率选择
4.9.1 下变频混频器
4.9.2 镜像抑制混频器
4.10 通信接收机
4.10.1 超外差式接收机
4.10.2 直接变频接收机
4.10.3 低中频接收机
结束语
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附录4A 希尔伯特变换
第5章 角度调制
5.1 FM信号和PM信号
5.1.1 调制信号为正弦信号时的FM信号和PM信号
5.1.2 调角信号的功率
5.2 调角信号的频谱
5.2.1 调制信号为正弦信号时FM信号的带宽
5.2.2 调制信号为任意消息信号时FM信号的带宽
5.3 窄带FM
5.4 调角信号的解调
5.4.1 带通限幅器
5.4.2 鉴频器
5.4.3 鉴相器: 正交检波器
5.5 锁相环
5.5.1 模拟PLL(APLL)
5.5.2 APLL线性模型
5.5.3 一阶PLL
5.5.4 二阶PLL
5.5.5 非锁定状态APLL的捕获过程
5.6 PLL用做FM解调器
5.7 FM广播
5.7.1 调频立体声
5.8 模拟电视
5.8.1 黑白图像
5.8.2 黑白电视
5.8.3 彩色电视
5.8.4 多声道电视音响
结束语
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第6章 概率与随机过程
6.1 概率的概念
6.1.1 相对频率
6.1.2 概率公理
6.1.3 联合限
6.1.4 条件概率
6.2 随机变量
6.2.1 离散随机变量
6.2.2 一些常见的离散随机变量
6.3 连续随机变量
6.3.1 一些常见的连续随机变量
6.3.2 离散随机变量与混合随机变量的概率密度函数
6.4 随机变量的函数
6.4.1 第一种情形: g(x)单调递增或单调递减
6.4.2 第二种情形: 任意g(x)
6.5 随机变量的统计特性
6.5.1 矩函数与特征函数
6.6 随机变量对
6.6.1 边缘分析
6.6.2 两个随机变量的函数: 期望值
6.7 条件分布
6.7.1 条件期望值
6.7.2 独立随机变量
6.8 联合高斯随机变量
6.8.1 两个随机变量的两个函数
6.8.2 中心极限定理
6.9 随机过程: 初步
6.9.1 随机过程的特性
6.9.2 平稳随机过程
6.9.3 广义平稳随机过程
6.9.4 各态历经的随机过程
6.9.5 自相关函数的性质
6.9.6 不相关、 正交和独立的随机过程
6.10 随机过程的功率谱
6.10.1 维纳辛钦定理
6.10.2 随机信号在线性时不变系统中的传输
6.11 一些重要的随机过程
6.11.1 高斯随机过程
6.11.2 高斯白噪声
6.11.3 滤波后的高斯白噪声
6.12 窄带噪声
6.12.1 窄带高斯白噪声
6.12.2 窄带噪声的正弦波包络
6.13 通信系统中的噪声源
6.13.1 热噪声
6.13.2 有效功率
6.13.3 散粒噪声
6.14 系统噪声的特性表示
6.14.1 噪声因子和噪声系数
6.14.2 子系统的有效输入噪声温度
6.14.3 级联子系统的噪声系数
6.14.4 有损二端口网络的噪声因子
6.15 随机过程的MATLAB仿真
6.15.1 产生任意概率密度函数的随机变量
6.15.2 自相关函数和频谱密度
6.15.3 高斯白噪声的样值
结束语
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第7章 模拟通信系统的噪声分析
7.1 基带系统的噪声性能
7.2 噪声对AM系统性能的影响
7.2.1 DSB?SC的噪声性能
7.2.2 SSB?AM的噪声性能
7.2.3 常规AM的性能
7.3 调角系统的噪声性能
7.3.1 高CNR系统的运行
7.3.2 FM系统的运行: 低CNR情形
7.4 预加重与去加重
7.5 模拟调制系统的比较
7.6 链路设计
7.6.1 模拟增音机
7.6.2 增音机级联时模拟通信系统的性能
结束语
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第8章 模拟信号转换为数字形式
8.1 低通信号的采样
8.1.1 奈奎斯特香农(Nyquist?Shannon)采样定理
8.1.2 采样序列的DFT
8.1.3 模拟信号的恢复
8.1.4 实用的采样技术
8.2 频谱混叠
8.3 模拟信号的数字化
8.3.1 量化
8.3.2 量化样值的编码
8.3.3 量化过程引入的误差
8.3.4 量化噪声
8.4 脉冲编码调制
8.4.1 非均匀量化
8.5 差分脉冲编码调制
8.6 模/数转换的过采样
8.7 增量调制
8.7.1 斜率过载与颗粒噪声
8.7.2 自适应增量调制
8.7.3 连续可变斜率增量调制
8.7.4 量化噪声
8.8 sigma?delta调制
8.8.1 一阶sigma?delta调制
8.8.2 噪声性能
8.9 带通信号的采样定理
8.9.1 数字接收机的带通采样
结束语
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第9章 数字基带调制
9.1 脉冲幅度调制
9.2 二进制线路编码技术
9.3 数字基带信号的频谱
9.3.1 随机脉冲序列的功率谱密度
9.3.2 二进制线路码的频谱
9.4 数字基带信号的带宽
9.5 频谱图与带外功率图
9.6 分组线路码
9.6.1 二进制分组码
9.6.2 多电平分组码
9.7 扰码
9.7.1 帧同步扰码器
9.7.2 SONET扰码器
9.7.3 自同步扰码器
9.7.4 ATM扰码
9.8 改善频谱效率的脉冲整形
9.8.1 sinc 脉冲
9.8.2 升余弦脉冲
9.9 允许的比特率估值
结束语
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第10章 基带信号的噪声检测
10.1 AWGN环境下的二进制信号检测
10.1.1 比特差错概率
10.2 匹配滤波器
10.2.1 相关检测器
10.2.2 二进制信号传输系统的性能
10.3 矢量空间的概念
10.3.1 有限维矢量空间
10.3.2 矢量空间的内积
10.3.3 Gram?Schmidt正交化过程
10.4 信号与WGN的矢量空间表示
10.4.1 波形的矢量空间表示
10.4.2 信号星座实例
10.4.3 WGN的矢量空间表示
10.5 AWGN环境下M进制信号的检测
10.5.1 最大后验概率检测器
10.5.2 最大似然检测器
10.5.3 最大后验概率和最大似然检测器的实现
10.5.4 判决区
10.6 最大似然检测器的差错性能
10.6.1 两星座信号的差错检测概率
10.6.2 M进制信号的差错概率
10.6.3 比特差错率与符号差错率之间的关系
10.7 M进制PAM信号的差错性能
结束语
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第11章 采用载波调制的数字信息传输
11.1 基本概念
11.1.1 已调数字载波信号的表示
11.2 二进制幅移键控
11.2.1 BASK信号的相干解调
11.3 二进制相移键控
11.3.1 BPSK信号的相干解调
11.4 二进制频移键控
11.4.1 BFSK信号的正交性
11.4.2 BFSK信号的相干解调
11.5 二进制差分相移键控
11.6 二进制数字载波信号的非相干解调
11.6.1 非相干二进制ASK
11.6.2 非相干二进制FSK
11.7 正交调制方案
11.7.1 正交调制信号的解调
11.7.2 QPSK
11.7.3 偏移QPSK
11.7.4 M进制相移键控
11.8 最小频移键控
11.9 正交幅度调制
11.10正交调制信号的频谱
11.10.1 带宽的其他定义
11.11载波调制方案的比较
结束语
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第12章 数字信号在时间色散信道上的传输
12.1 PAM信号在带限信道上的传输
12.1.1 眼图
12.2 Nyquist零码间干扰准则
12.2.1 RC脉冲信号
12.3 带限AWGN信道的发送滤波器与接收滤波器
12.3.1 差错概率性能
12.4 部分响应(双二进制)信号
12.4.1 双二进制信号的检测
12.4.2 差错概率性能
12.5 线性均衡器
12.5.1 迫零均衡器
12.5.2 最小均方差均衡器
12.6 自适应均衡
12.6.1 最小均方差算法
12.7 判决反馈均衡器
12.7.1 系数优化
12.7.2 信道估计
12.8 线性判决反馈均衡器的性能
结束语
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第13章 数字复用与同步
13.1 数字复用
13.1.1 准同步数字体系
13.1.2 PDH信号的同步
13.1.3 M12复用器: DS2帧
13.1.4 DS2 的开销比特
13.2 SONET
13.2.1 SONET信号的复用
13.2.2 SONET信号的同步
13.3 载波同步
13.3.1 升幂次环路
13.3.2 科斯塔斯环
13.3.3 噪声对载波相位估计的影响
13.3.4 噪声对载波同步装置性能的影响
13.4 符号同步
13.4.1 NRZ数据的时钟恢复
13.4.2 恢复时钟的PLL
13.5 帧同步
13.5.1 帧同步装置的性能
13.5.2 帧同步字的选择
结束语
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第14章 信息论与压缩技术
14.1 信息论的基本概念
14.1.1 联合熵与条件熵
14.1.2 微分熵
14.1.3 互信息
14.2 信源编码
14.2.1 离散记忆信源
14.2.2 香农信源编码定理
14.3 信道编码
14.3.1 通信信道建模
14.3.2 通信信道的容量
14.3.3 香农信道容量定理
14.3.4 另一个信道编码定理
14.4 AWGN信道的容量
14.4.1 AWGN信道的Shannon容量定理
14.4.2 带限AWGN信道的容量
14.4.3 带限AWGN信道上容量定理的含义
14.4.4 功率带宽折中
14.5 损压缩技术
14.5.1 损压缩技术
14.5.2 Huffman编码
14.5.3 游程长度编码
14.5.4 Lemoel?Ziv编码
14.6 图像压缩: JPEG
14.6.1 离散余弦变换
14.6.2 JPEG压缩标准
14.6.3 色度分量的二次采样
14.7 数字视频压缩: MPEG
14.7.1 MPEG
结束语
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附录14A AWGN信道的容量: 另一种证明方法
第15章 信道编码技术
15.1 分组码
15.1.1 线性分组码
15.1.2 线性分组系统码
15.1.3 差错矢量和伴随式矢量
15.2 分组码的硬判决译码
15.2.1 分组码的伴随式译码
15.2.2 检错和纠错能力
15.3 循环码
15.3.1 系统循环码的编码
15.3.2 循环码的译码
15.3.3 分组码的重要系列
15.3.4 循环码冗余校验码
15.4 分组码硬判决译码的纠错性能
15.5 分组码的软判决译码
15.5.1 软判决译码的差错性能
15.5.2 编码增益
15.6 卷积码
15.6.1 卷积码的表示
15.6.2 卷积码的译码
15.6.3 维特比算法
15.7 卷积码的差错性能
15.7.1 卷积码的传输函数
15.7.2 卷积码的差错概率
15.7.3 编码增益
15.8 Turbo码
15.8.1 Turbo译码
15.8.2 Turbo码的性能
15.9 网格编码调制
15.9.1 TCM码的译码
结束语
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附录A 数学公式
附录B 缩略语
附录C 符号表
前言/序言
国外电子与通信教材系列:现代通信系统 引言 在信息爆炸的时代,通信技术的发展日新月异,深刻地改变着我们的生活、工作和学习方式。从早期的电报、电话,到如今无处不在的移动通信、卫星通信、光纤通信,通信系统已经渗透到社会的每一个角落。理解现代通信系统的原理、设计与应用,对于电子工程、通信工程以及相关领域的专业人士来说,是至关重要的。 《现代通信系统》作为“国外电子与通信教材系列”的重要一员,旨在为读者提供一个全面、深入且结构清晰的现代通信系统知识体系。本书并非对某个具体通信标准或技术的详细介绍,而是聚焦于构成现代通信系统所需的核心理论、基本原理、关键技术以及普遍适用的分析方法。它着眼于通信系统的系统性,强调不同组成部分之间的相互联系和协同工作,而非孤立地讲解某个模块。 本书的编写目标是培养读者从系统层面理解通信的能力,使其能够分析和设计不同类型的通信系统,理解其性能瓶颈和优化方向,并能根据实际需求选择和集成适用的技术。它为读者打下坚实的理论基础,为进一步深入研究特定通信领域(如无线通信、光通信、移动通信、网络通信等)或从事通信系统的设计、开发、测试与维护工作奠定坚实的基础。 内容概述 本书的核心内容围绕着现代通信系统的基本模型、信号的表示与处理、信道的特性、信息传输的调制解调技术、多路复用技术、抗干扰技术以及系统的性能评估展开。 1. 通信系统的基本模型与架构: 信息源: 介绍信息源的分类、特性以及信息熵的概念,理解信息的本质。 信源编码: 探讨如何对信息源进行编码,以去除冗余,提高传输效率,并介绍常用的编码方法(如霍夫曼编码、算术编码等)。 信道编码: 讲解为了抵抗信道噪声和干扰,需要在信息中加入冗余的编码技术,包括纠错码(如海明码、卷积码、LDPC码、Turbo码等)的基本原理和应用。 调制: 深入分析如何将数字或模拟信息转换成适合在物理信道上传输的信号,重点介绍幅度调制 (AM)、频率调制 (FM)、相位调制 (PM) 等模拟调制技术,以及幅度键控 (ASK)、频率键控 (FSK)、相位键控 (PSK)、正交幅度调制 (QAM) 等数字调制技术。讨论其频谱特性、带宽要求以及抗干扰能力。 信道: 详细分析各种物理信道的特性,包括加性高斯白噪声 (AWGN) 信道、衰落信道(如瑞利衰落、莱斯衰落)、多径传播、时延扩展、频率选择性衰落等,理解这些特性对信号传输的影响。 解调/检测: 介绍与调制相对应的解调或检测过程,包括相干解调和非相干解调,以及最大似然检测、最大后验概率检测等基本原理。 信宿: 讲解接收端信号的恢复过程,以及信宿对接收信息的处理。 系统框图与功能划分: 通过绘制和分析不同通信系统的典型框图,清晰地展示信号从发送到接收的完整流程,理解各模块的功能和相互作用。 2. 信号的数学表示与处理: 信号的分类: 区分模拟信号与数字信号,连续时间信号与离散时间信号。 傅里叶分析: 深入探讨傅里叶级数和傅里叶变换在信号频谱分析中的作用,理解信号的频率成分,以及其在调制、滤波等过程中的重要性。 采样定理: 讲解奈奎斯特-香农采样定理,理解模拟信号离散化的基本条件和过程,这是数字通信的基础。 滤波器理论: 介绍理想滤波器和实际滤波器的特性,以及低通、高通、带通、带阻滤波器在信号处理中的应用,包括抗混叠滤波、信号整形滤波等。 随机过程: 引入随机过程的概念,特别是与通信噪声建模相关的平稳随机过程、高斯过程等,理解噪声的统计特性。 3. 信道的特性与建模: 噪声分析: 详细分析通信系统中常见的噪声源,如热噪声、散粒噪声、干扰噪声等,理解其对信号的影响,并进行数学建模。 衰落现象: 深入研究无线通信中普遍存在的衰落现象,包括阴影衰落、快衰落(瑞利衰落、莱斯衰落),以及这些衰落对信号强度的影响,并介绍相应的信道模型。 多径效应: 分析信号在多条路径上传播产生的干涉效应,导致频率选择性衰落和码间串扰 (ISI),以及其对数据传输的影响。 4. 现代调制与解调技术: 数字调制技术精讲: 除了基本的ASK、FSK、PSK、QAM,本书还会深入探讨M进制PSK (MPSK)、M进制QAM (MQAM) 等高阶调制技术,分析其在相同带宽下可以传输更高比特率的优势,以及对信噪比的要求。 最佳接收: 讲解在已知信道模型和噪声特性的情况下,如何设计最优的接收机来最小化错误概率,介绍最大似然序列检测 (MLSD) 等概念。 同步技术: 强调在接收端进行载波同步和时钟同步的重要性,介绍常用的同步方法。 5. 多路复用技术: 频分多址 (FDMA): 讲解如何将总带宽划分为多个互不重叠的子频段,供多个用户同时使用。 时分多址 (TDMA): 介绍如何将时间划分为多个时隙,供多个用户轮流使用同一频段。 码分多址 (CDMA): 深入理解利用伪随机码实现用户之间隔离的原理,以及其在抵抗干扰方面的优势。 正交频分复用 (OFDM): 重点介绍OFDM技术,它将宽带信道划分为多个窄带子载波,利用IFFT/FFT实现高效调制解调,有效克服多径效应和频率选择性衰落,是现代无线通信(如Wi-Fi、LTE、5G)的核心技术之一。 6. 抗干扰技术: 信道编码: 除了前面提到的基础知识,本书会更深入地讲解纠错码的编码和解码原理,包括线性分组码、循环码、卷积码的译码算法(如维特比译码),以及LDPC码和Turbo码等现代高效纠错码的编码结构和译码思想。 均衡技术: 针对多径传播引起的码间串扰,介绍线性均衡器和非线性均衡器(如MLSE)的原理,以及自适应均衡技术。 分集技术: 讲解空间分集、频率分集、时间分集等技术,通过在不同条件下接收同一信号的副本,来降低衰落对系统性能的影响。 7. 通信系统性能评估: 误比特率 (BER) 和误符号率 (SER): 介绍衡量数字通信系统性能的关键指标,以及如何在不同信道条件下推导它们的表达式。 信噪比 (SNR) 和信干比 (SIR): 分析这些参数如何影响系统的可靠性。 信息传输速率: 讨论信息速率、符号速率、信道容量之间的关系。 香农信息论基础: 简要介绍香农信息论的信道容量概念,为理解通信系统的理论极限提供指导。 学习价值与目标读者 系统性的知识框架: 本书提供了一个从基础原理到高级应用的完整学习路径,帮助读者建立起对现代通信系统全面而深刻的理解。 严谨的理论推导: 书中包含必要的数学推导,帮助读者理解各种通信技术的理论基础和性能极限,培养分析和解决问题的能力。 广泛的应用背景: 本书介绍的原理和技术广泛应用于各种通信系统,包括但不限于: 移动通信系统: 如2G、3G、4G、5G 等。 无线局域网 (Wi-Fi): 如802.11 系列标准。 卫星通信系统。 光纤通信系统。 数字广播系统。 数据通信网络。 培养专业素养: 通过学习本书,读者将能够: 理解和分析各种通信系统的基本工作原理。 掌握通信系统设计中关键的技术选择和权衡。 评估通信系统的性能,并找到优化的途径。 为进一步深入学习特定通信领域或从事相关研发工作打下坚实基础。 适宜读者对象: 高等院校电子工程、通信工程、计算机科学等专业的本科生和研究生。 通信领域的研究人员和工程师。 对现代通信技术感兴趣的各类技术人员。 需要全面了解通信系统理论背景的跨学科学习者。 结语 《现代通信系统》将带领读者踏上一段探索通信奥秘的旅程。它不仅是获取知识的工具,更是培养创新思维、激发技术潜能的阶梯。掌握本书中的知识,将使您能够游刃有余地应对日益复杂的通信挑战,成为信息时代的设计者和引领者。